基于团簇动力学的锆基合金辐照损伤模拟方法及模型系统转让专利
申请号 : CN202110205918.X
文献号 : CN112926205B
文献日 : 2022-05-13
发明人 : 覃检涛 , 吴璐 , 信天缘 , 伍晓勇 , 温榜 , 张伟 , 潘荣剑 , 王桢 , 米俊峰 , 莫华均 , 张明星 , 周晓瑛 , 张烁 , 宋小蓉
申请人 : 中国核动力研究设计院
摘要 :
权利要求 :
1.基于团簇动力学的锆基合金辐照损伤模拟方法,其特征是,包括以下步骤:S101:基于团簇动力学、缺陷之间相互作用的物理机制和位错环生长问题建立团簇动力学模型;
S102:将获取的材料参数作为数值模拟参数输入至团簇动力学模型模拟计算得到点缺陷团簇的浓度与辐照剂量的依赖关系数据;
S103:对依赖关系数据进行数据处理后得到缺陷团簇数密度的剂量依赖关系、团簇中缺陷数量的分布信息以及固定剂量下缺陷团簇大小的分布信息;
所述团簇动力学模型包括:
第一模拟计算模型,用于模拟计算单间隙原子的浓度随时间变化的第一分布信息;
第二模拟计算模型,用于模拟计算单空位的浓度随时间变化的第二分布信息;
第三模拟计算模型,用于模拟计算间隙团簇的浓度随时间变化的第三分布信息;
第四模拟计算模型,用于模拟计算空位团簇的浓度随时间变化的第四分布信息;
第五模拟计算模型,用于模拟计算被捕获空位的浓度随着时间变化的第五分布信息;
所述第一模拟计算模型的计算公式具体为:式中,c1i表示单间隙原子的浓度;c1v表示单空位的浓度; 表示单间隙原子浓度随着时间的变化;K表示剂量率;εi表示间隙原子中动态/静态缺陷的比例;Di表示单间隙原子的2
扩散率;点缺陷阱的强度由k{·}表示, 表示本征线位错吸收间隙原子的强度, 表示晶界吸收点缺陷的强度, 表示第二相析出物吸收点缺陷的强度, 为被捕获的间隙原子缺陷阱强度;α表示点缺陷复合速率系数; 表示单间隙原子与间隙原子的反应速率系数,表示2个间隙原子组成的间隙团与单空位的反应速率系数, 表示n个间隙原子组成的间隙团对间隙原子的吸收速率系数, 表示n个空位组成的空位团对间隙原子的吸收速率系数; 表示描述间隙原子时缺陷团中点缺陷的发射速率;
所述第二模拟计算模型的计算公式具体为:式中,c1i表示单间隙原子的浓度;c1v表示单空位的浓度; 表示单空位浓度随着时间的变化;K表示剂量率;εv表示空位中动态/静态缺陷的比例;Dv表示单空位的扩散率; 表示本征线位错吸收空位的强度, 表示晶界吸收点缺陷的强度, 表示第二相析出物吸收点缺陷的强度, 为被捕获空位的缺陷阱强度;Ke表示空位的热发射因子;α表示点缺陷复合速率系数; 表示单空位与单空位反应的速率系数, 表示n=2的空位团与间隙原子反应的速率系数, 表示n个间隙原子组成的空位团对单空位的吸收速率系数, 表示n个间隙原子组成的间隙团对空位的吸收速率系数; 表示描述空位时缺陷团中点缺陷的发射速率;
所述第三模拟计算模型的计算公式具体为:式中, 表示含n个间隙原子的间隙团浓度随着时间的变化;cni、c(n‑1)i、c(n+1)i分别表示含n、n‑1、n+1个间隙原子的浓度;
所述第四模拟计算模型的计算公式具体为:式中, 表示含n个间隙原子的空位团浓度随着时间的变化;cnv、c(n‑1)v、c(n+1)v分别表示含n、n‑1、n+1个间隙原子的空位团浓度;
所述第五模拟计算模型的计算公式具体为:式中, 表示被捕获空位的浓度随着时间的变化。
2.根据权利要求1所述的基于团簇动力学的锆基合金辐照损伤模拟方法,其特征是,所述空位的热发射因子Ke的计算公式具体为:式中,f表示陷阱占据概率,f=cvT/cT;cT表示缺陷阱浓度;T表示温度。
3.根据权利要求1或2所述的基于团簇动力学的锆基合金辐照损伤模拟方法,其特征是,析出相的尺寸rp随时间而演变,演变的尺寸动力学模型计算公式具体为:式中,cp表示析出相中Nb合金元素的浓度; 表示辐射增强互扩散系数; 表示析出相边界处溶质的热平衡浓度; 表示辐照后溶解度;
析出相边界处溶质的热平衡浓度的计算如下:式中,σ为α–β相之间的比表面能;Vp为第一合金元素的摩尔体积; 为Nb合金元素在Zr合金元素中的溶解度;T表示温度;
辐照后溶解度的计算如下:
式中,系数 为间隙原子在Zr中的扩散率, 为空位在Zr中的扩散率, 为间隙原子在Nb中的扩散率, 为空位在Nb中的扩散率。
4.基于团簇动力学的锆基合金辐照损伤模拟模型系统,其特征是,包括:模型构建模块,用于基于团簇动力学、缺陷之间相互作用的物理机制和位错环生长问题建立团簇动力学模型;
模拟计算模块,用于将获取的材料参数作为数值模拟参数输入至团簇动力学模型模拟计算得到点缺陷团簇的浓度与辐照剂量的依赖关系数据;
数据处理模块,用于对依赖关系数据进行数据处理后得到缺陷团簇数密度的剂量依赖关系、团簇中缺陷数量的分布信息以及固定剂量下缺陷团簇大小的分布信息;
所述团簇动力学模型包括:
第一模拟计算模型,用于模拟计算单间隙原子的浓度随时间变化的第一分布信息;
第二模拟计算模型,用于模拟计算单空位的浓度随时间变化的第二分布信息;
第三模拟计算模型,用于模拟计算间隙团簇的浓度随时间变化的第三分布信息;
第四模拟计算模型,用于模拟计算空位团簇的浓度随时间变化的第四分布信息;
第五模拟计算模型,用于模拟计算被捕获空位的浓度随着时间变化的第五分布信息;
所述第一模拟计算模型的计算公式具体为:式中,c1i表示单间隙原子的浓度;c1v表示单空位的浓度; 表示单间隙原子浓度随着时间的变化;K表示剂量率;εi表示间隙原子中动态/静态缺陷的比例;Di表示单间隙原子的2
扩散率;点缺陷阱的强度由k {·}表示, 表示本征线位错吸收间隙原子的强度, 表示晶界吸收点缺陷的强度, 表示第二相析出物吸收点缺陷的强度, 为被捕获的间隙原子缺陷阱强度;α表示点缺陷复合速率系数; 表示单间隙原子与间隙原子的反应速率系数,表示2个间隙原子组成的间隙团与单空位的反应速率系数, 表示n个间隙原子组成的间隙团对间隙原子的吸收速率系数, 表示n个空位组成的空位团对间隙原子的吸收速率系数; 表示描述间隙原子时缺陷团中点缺陷的发射速率;
所述第二模拟计算模型的计算公式具体为:式中,c1i表示单间隙原子的浓度;c1v表示单空位的浓度; 表示单空位浓度随着时间的变化;K表示剂量率;εv表示空位中动态/静态缺陷的比例;Dv表示单空位的扩散率; 表示本征线位错吸收空位的强度, 表示晶界吸收点缺陷的强度, 表示第二相析出物吸收点缺陷的强度, 为被捕获空位的缺陷阱强度;Ke表示空位的热发射因子;α表示点缺陷复合速率系数; 表示单空位与单空位反应的速率系数, 表示n=2的空位团与间隙原子反应的速率系数, 表示n个间隙原子组成的空位团对单空位的吸收速率系数, 表示n个间隙原子组成的间隙团对空位的吸收速率系数; 表示描述空位时缺陷团中点缺陷的发射速率;
所述第三模拟计算模型的计算公式具体为:式中, 表示含n个间隙原子的间隙团浓度随着时间的变化;cni、c(n‑1)i、c(n+1)i分别表示含n、n‑1、n+1个间隙原子的浓度;
所述第四模拟计算模型的计算公式具体为:式中, 表示含n个间隙原子的空位团浓度随着时间的变化;cnv、c(n‑1)v、c(n+1)v分别表示含n、n‑1、n+1个间隙原子的空位团浓度;
所述第五模拟计算模型的计算公式具体为:式中, 表示被捕获空位的浓度随着时间的变化。
说明书 :
基于团簇动力学的锆基合金辐照损伤模拟方法及模型系统
技术领域
背景技术
辐照下会形成大量空位、团簇、位错等缺陷,二是由于第二相的变化,包括原有第二相的非
晶化和溶解、新的第二相生成等等。由于在研究试验堆中采用中子辐照的实验方法研究锆
合金中的辐照效应成本高、周期长、难度大,数值模拟方法应运而生。
(CD,Cluster Dynamic)属于多尺度数值模拟中的介观尺度方法,是一种通过建立材料中缺
陷团簇之间动力学方程来算辐照缺陷的演化过程的数值模拟方法。该方法可以研究材料中
缺陷团簇较长时间内的扩散和反应,能够给出各种团簇的浓度和尺寸随时间的分布规律,
尤其适合用来分析中子辐照下材料中点缺陷与合金元素原子间的聚集、成团过程。
大部分都基于平均场速率理论,该方法为了保证计算速度,牺牲了大部分模拟结果的精确
度;此外,当前以二元、三元锆合金的为研究主体的相对较少,运用团簇动力学方法模拟锆
合金中辐照缺陷演化过程的技术更为少见。因此,如何研究设计一种基于团簇动力学的锆
基合金辐照损伤模拟方法及模型系统是我们目前急需解决的问题。
发明内容
2
子的扩散率;点缺陷阱的强度由k{·}表示, 表示本征线位错吸收间隙原子的强度, 表
示晶界吸收点缺陷的强度, 表示第二相析出物吸收点缺陷的强度, 为被捕获的间隙原
子缺陷阱强度;α表示点缺陷复合速率系数; 表示单间隙原子与间隙原子的反应速率系
数, 表示2个间隙原子组成的间隙团与单空位的反应速率系数, 表示n个间隙原子组
成的间隙团对间隙原子的吸收速率系数, 表示n个空位组成的空位团对间隙原子的吸收
速率系数; 缺陷团中点缺陷的发射速率,描述间隙原子时q=i。
表示本征线位错吸收空位的强度, 表示晶界吸收点缺陷的强度, 表示第二相析出
物吸收点缺陷的强度, 为被捕获空位的缺陷阱强度;Ke表示空位的热发射因子;α表示点
缺陷复合速率系数; 表示单空位与单空位反应的速率系数, 表示n=2的空位团与间
隙原子反应的速率系数, 表示n个间隙原子组成的空位团对单空位的吸收速率系数,
表示n个间隙原子组成的间隙团对空位的吸收速率系数; 缺陷团中点缺陷的发射速率,
描述空位时q=v。
或空位环)的生长、空洞的生长、缺陷团簇的吸收演化过程等;能够计算当Sn和Nb作为锆合
金的合金元素相时,缺陷阱对团簇尺寸生长动力学的影响;还可以预测缺陷团簇的产生和
演化,从而优化用作燃料包壳或结构材料合金的物理和力学性能。
附图说明
具体实施方式
为对本发明的限定。
和模拟比速率理论方法更加精确。二者均可以构建缺陷浓度随时间的演化方程描述材料中
辐照缺陷的演化,主方程形式如下:
各类缺陷阱对缺陷的吸收项。
方程组,方程包括:单空位和单间隙原子的浓度方程;具有2~Nmax个点缺陷组成的间隙/空
位团簇的浓度方程;被捕获的空位的浓度方程(如果选择Sn作为合金元素);Nb析出相的半
径公式(如果选择Nb作为合金元素)。
的浓度随时间变化的第一分布信息;第二模拟计算模型用于模拟计算单空位的浓度随时间
变化的第二分布信息;第三模拟计算模型用于模拟计算间隙团簇的浓度随时间变化的第三
分布信息;第四模拟计算模型用于模拟计算空位团簇的浓度随时间变化的第四分布信息;
第五模拟计算模型用于模拟计算被捕获空位的浓度随着时间变化的第五分布信息。
2
子的扩散率;点缺陷阱的强度由k {·}表示, 表示本征线位错吸收间隙原子的强度, 表
示晶界吸收点缺陷的强度, 表示第二相析出物吸收点缺陷的强度, 为被捕获的间隙原
子缺陷阱强度;α表示点缺陷复合速率系数; 表示单间隙原子与间隙原子的反应速率系
数, 表示2个间隙原子组成的间隙团与单空位的反应速率系数, 表示n个间隙原子组成
的间隙团对间隙原子的吸收速率系数, 表示n个空位组成的空位团对间隙原子的吸收速
率系数; 缺陷团中点缺陷的发射速率,描述间隙原子时q=i。
中,含有n个缺陷的环半径Rn和与缺陷‑位错‑弹性相互作用有关的效率因子Zn通过
计算。其中,b是位错环的Burgers矢量,r0=b是
环形位错环的俘获半径。Di,n、Dv,n表示间隙团簇和空位团簇的扩散率,n表示团簇中点缺陷
‑s
的个数。在此假设空位团簇的扩散率Dv,n=Dv,间隙团簇扩散率为Di,n=n Di,其中s一般取
0.56。假设点缺陷只能由相同类型的缺陷团发射,缺陷团中点缺陷的发射速率为
描述空位时q=v,描述间隙原子时q=i。其中,R为位错环半径,
D为点缺陷的扩散率,T表示温度,点缺陷与环的结合能 为:
这里的 和 是点缺陷的形成能及其具有n个缺陷的位错环的形成能。
表示本征线位错吸收空位的强度, 表示晶界吸收点缺陷的强度, 表示第二相析出
物吸收点缺陷的强度, 为被捕获空位的缺陷阱强度;Ke表示空位的热发射因子;α表示点
缺陷复合速率系数; 表示单空位与单空位反应的速率系数, 表示n=2的空位团与间
隙原子反应的速率系数, 表示n个间隙原子组成的空位团对单空位的吸收速率系数,
表示n个间隙原子组成的间隙团对空位的吸收速率系数; 缺陷团中点缺陷的发射速率,
描述空位时q=v。
度。
的物理机制和位错环生长问题建立团簇动力学模型。模拟计算模块,用于将获取的材料参
数作为数值模拟参数输入至团簇动力学模型模拟计算得到点缺陷团簇的浓度与辐照剂量
的依赖关系数据。数据处理模块,用于对依赖关系数据进行数据处理后得到缺陷团簇数密
度的剂量依赖关系、团簇中缺陷数量的分布信息以及固定剂量下缺陷团簇大小的分布信
息。
缺陷团簇的剂量依赖关系,也就是在控制温度、晶粒尺寸、合金元素等参数不变的前提下,
运用该模型计算缺陷团簇随中子辐照剂量的演化过程。如图2表示,其他条件不变的情况
下,总间隙团簇和空位团簇浓度随中子辐照剂量的演化过程。通过对分布函数的分析,还可
以计算位错环平均半径与缺陷簇生长平稳状态下位错环生长速度的依赖关系,参见图3。不
同温度下间隙环的平均生长速度如图4所示。
的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含
在本发明的保护范围之内。