在裂变和聚变环境中设计出高抗辐照材料是核能发展的关键问题之一,研究材料在辐照场下的损伤行为和抗辐照机制,可为所需条件极为苛刻的实验的开展提供理论支持。本文基于速率理论构建的稳态化学速率理论模型和多尺度团簇动力学模型系统地研究了BCC金属在稳态和非稳态下抗辐照行为的一般规律,提出了扩散和吸收偏压对BCC金属辐照容忍度的影响机制,模拟了金属铝在He离子辐照下的积聚以及与辐照条件关联的动力学行为。主要内容如下:(1)在聚变反应过程中,材料的抗辐照行为受到很多因素的影响,本文针对材料固有特征(如:缺陷迁移能和晶界强度)和外在条件(如:辐照速率和温度)等因素,利用稳态化学速率理论模型系统地研究了BCC过渡金属(V、Cr、Fe、Nb、Mo、Ta和W)抗中子辐照的一般规律。研究结果表明:由于V、Cr、Fe和Nb具有较高的空位扩散系数,因此它们在典型的服役条件下比Ta、Mo和W具有更明显的抗辐照优势。另外,随着材料晶粒尺寸越小、辐照速率越低、温度越高,BCC金属的抗辐照性能越强。因此,研究提出:至少在稳态下,当材料处于实际服役环境中时,建议选择具有低空位迁移能和小晶粒尺寸的BCC金属作为新型的核结构材料。(2)在实际辐照环境中,材料始终处于非稳态,核材料经过长时间、高能量的中子辐照将产生严重的位移损伤。因此有必要系统地探究在非稳态下影响不同晶粒尺寸的BCC过渡金属(V、Cr、Fe、Nb、Mo、Ta和W)材料抗辐照行为的一般机制。文章结合非稳态下的团簇动力学方法,系统地模拟了中子辐照下纳米晶金属中晶粒尺寸和温度对空位累积的影响。研究结果发现:纳米晶V、Cr、Fe和Nb在室温下具有良好的抗辐照性,而纳米晶Ta、Mo和W即使在高温下也没有明显的抗辐照优势。这主要是因为V、Cr、Fe和Nb相对于Mo、Ta和W具有较低的空位迁移能,且较小的扩散和吸收偏压会使V、Cr、Fe和Nb体内缺陷累积减少,进而提高纳米晶材料的抗辐照能力。且温度的升高会减小材料间的吸收偏压差异,温度越高吸收偏压越来越小。研究结果表明在选择和设计核结构材料时,在低温状态仅可使用纳米晶V、Cr、Fe和Nb。(3)铝在核反应中有着广泛的应用,He离子辐照效应是研究铝辐照损伤的关键,探索He原子俘获效应有助于理解He行为对面向等离子体材料表面损伤和钚自辐照损伤演化的影响。为此,利用团簇动力学模型研究了keV的He离子辐照金属铝的缺陷动力学和He聚集行为,为铝在面向等离子体环境和钚自辐照的损伤演化提供理论基础。通过对不同He俘获类型(团簇、晶界和位错)的浓度的定量分析,结果表明大部分He原子有在晶界处聚集的倾向,成为导致材料脆化的关键因素。增大辐照能量将导致更多的He离子在金属表面积聚,其滞留深度的峰值位置随着辐照能量的增加而加深。而随着入射离子通量的增加,He在铝中的滞留量变得越来越高,但He滞留深度的峰值位置不变。模拟结果解释了晶界效应引起的He滞留分布以及材料脆化行为,为研究He离子辐照损伤行为提供了理论指导。