5-25、材料基因组工程技术在若干重要核用材料开发中的应用

The application of MGI in the development of some important materials utilized in nuclear reactors

都时禹^*

哈尔滨工程大学，中国科学院宁波材料技术与工程研究所

摘要：随着材料基因工程技术的推广，如何推动该技术在核能材料开发方面的高效应用成为了核工业领域的重要课题。本项目组根据重点研发计划材料基因工程重点专项的要求，继续开展了材料基因工程计算软件的设计和开发工作，并针对核用结构材料FeCrAl和Zr合金开展了深入研究。具体研究内容如下：

（1）FeCrAl合金势能力场的开发。我们通过改进粒子群算法，开发了一套基于粒子群算法的势能力场拟合方法与程序，并用其应用于基于EAM势能力场模型的FeCrAl合金势能力场的开发。我们将其应用于Fe-Cr-Al三元合金的相稳定性与合金弹塑性性能的计算，并将理论计算结果与实验结论进行了比对，两者非常接近，证明了我们开发的力场的准确性。该势能力场能够很好的预测材料的结构和缺陷演化以及力学性能，为这一重要材料的分子动力学理论计算铺平了道路。根据这一工作，我们随即提出了对于设计人工智能算法的新观点，发表了相关论文。

（2） 大数据方法在乏燃料后处理领域的应用。针对对于乏燃料后处理中及其重要的镧系元素和锕系元素分离相应的电化学问题，我们通过大数据方法对其进行研究，得到了令人满意的结果。具体实施方案如下：我们首先通过实验得到一部分镧系元素的电化学沉积电位的测试结果；然后应用大数据方法，挖掘出沉积电位与元素原子半径、电负性之间的规律；并将其应用于锕系元素的沉积电位性能预测，预测结果与文献报道以及实验结果相符。我们通过大数据方法，获得了实验观测相当困难的锕系元素的电化学性质，此方法对材料学研究有较大的推广意义。

（3）合金材料的多尺度耦合理论研究。由于单一尺度的理论模型难以描述合金从微观到宏观的组织形貌与性能变化，我们通过建立一系列相互耦合的纳观原子尺度-微观缺陷尺度-介观晶粒尺度-宏观尺度的理论计算模型，通过第一性原理-分子动力学-相场-有限元耦合的多尺度计算方法，预测材料基因参数对合金微观结构与宏观热力学性能。同时，我们在实验方面的工作内容主要包括适用于FeCrAl材料的堆内辐照装置搭建，以及FeCrAl和Zr合金的薄膜和块体样品制备和表征。通过比较实验表征与理论计算结果，印证了我们理论计算模型的准确性。

（4）高通量多尺度理论计算平台的搭建。根据重大专项的要求，我们开发了先进核燃料包壳材料基因组多尺度设计软件，用于合金的材料基因优化设计。该软件包含中央控制器模块、数据库模块、多尺度计算耦合模块、并发式任务管理模块以及人工神经网络模块。该软件能够胜任超算平台上高通量的多尺度计算任务投放和管理，为材料基因组方法的发展提供软件支持。

关键词：材料基因，粒子群算法，多尺度耦合，FeCrAl合金

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.525