3-9、铁/水界面处辐照损伤的计算机模拟

高宁^*

中国科学院近代物理研究所，兰州730000

摘要：在辐照条件下，高能粒子(如反应堆中子)与材料的相互作用，会导致超饱和辐照缺陷形成，如原子尺度的空位、自间隙子以及纳米尺度的空洞、位错环等，影响材料的抗辐照服役性能。在反应堆中，除了高能粒子的辐照损伤外，当材料受到辐照以及其他介质同时作用时，会造成更加严重的损伤，例如在反应堆中，辐照与腐蚀共同作用，对反应堆中材料安全服役会造成更严重的影响，因此，辐照腐蚀已经成为辐照损伤领域的研究热点之一。根据已有的研究，当超饱和辐照点缺陷以及空洞和位错环形成后，会影响材料局部的成分、结构、应力/变场分布等，对腐蚀过程中的化学反应、电荷分布以及微观结构均造成影响，因此，研究材料与介质界面处的辐照损伤行为，对理解辐照腐蚀具有重要意义。

在本研究中，利用最近提出的ReaxFF势函数，选取铁-水(Fe-H₂O)系统为研究对象，利用分子动力学(MD)方法，对如下科学问题做系统研究：(1) 当高能粒子作用于铁/水界面处时，会在界面诱发位移级联过程，通过计算机模拟的方法，模拟界面处多次位移级联过程，研究辐照和水共同作用下的腐蚀行为；(2)辐照之后，界面处形成高浓度空位型缺陷，如离散分布的空位及空洞，对介质水的扩散腐蚀造成影响，在本研究中，通过计算模拟方法，研究上述缺陷对铁/水界面处相互作用的影响；(3)除了空位型缺陷外，辐照损伤诱发形成特有的间隙型位错环，也会对界面腐蚀造成影响，因此，在本研究中，利用计算机模拟对间隙型位错环对铁/水界面处相互作用的影响，也进行了相应的研究。通过模拟研究表明，辐照造成的位移级联首先会加速界面处水分子的分解以及氧离子在界面处沿辐照路径的扩散，形成铁基氧化物，多次级联碰撞，在形成氧化物之后，再形成铁基氢氧化物，导致界面处铁原子与氢氧离子扩散明显加速，造成严重腐蚀；当界面处形成的离散空位浓度升高时，对水分子分解及氢氧离子的扩散起到加速作用，使腐蚀加速，而当空洞形成后，扩散腐蚀速率明显提高，主要是水分子首先会扩散到空洞内再分解，促进氢氧离子在铁基中的扩散；当材料中形成<100>间隙型位错环时，其应力场的分布使得水分子更容易扩散到位错环核心位置，造成位错环结构变化以及氢氧离子在基体中的快速扩散。在以上所有的辐照腐蚀过程中，电荷的演化与整个过程紧密相关，是辐照腐蚀的关键因素之一。

因此，本研究通过计算机模拟方法，研究了铁/水界面处在辐照损伤对腐蚀过程的影响，证明了辐照位移级联、辐照形成的过饱和缺陷(空位、空洞)以及位错环，都会影响界面处铁-水之间的相互扩散过程，从而影响了腐蚀过程。通过本研究表明，计算机模拟在辐照腐蚀机制研究中可以对实验测试研究起到重要的促进作用，为理解辐照腐蚀提供科学参考。

关键词：辐照腐蚀，计算机模拟，缺陷，空洞，位错环

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.309