[發明專利]基于速率理論的鋯基合金中輻照硬化模擬方法及模型系統

有效

• 申請號: 202011371082.2
• 申請日: 2020-11-30
• 公開（公告）號: CN112632839B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 信天緣;潘榮劍;何文;吳璐;伍曉勇;覃檢濤;張偉;王楨;方忠強;干宇文;蔣汀嵐;溫榜;張爍;江艷
• 申請（專利權）人: 中國核動力研究設計院
• 主分類號: G06F30/25
• 分類號: G06F30/25;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 林菲菲

本發明公開了基于速率理論的鋯基合金中輻照硬化模擬方法及模型系統，涉及核材料輻照模擬技術領域，其技術方案要點是：建立模擬位錯結構的演化和輻照生長模型；建立輻照生長時的應變率計算模型；將獲取的材料參數輸入至輻照生長時的應變率計算模型；通過輻照生長時的應變率計算模型依據數值模擬參數模擬計算輻照劑量對位錯環半徑、位錯密度、生長應變的影響關系；通過預構建的硬化程度計算模型依據模擬計算的影響關系計算得到點缺陷吸收阱引起的硬化值。本發明不僅可模擬計算輻照劑量對位錯環半徑、位錯密度、生長應變的影響以及輻照硬化，還可模擬錫和鈮作為鋯基合金中的合金元素對力學性能和輻照生長的影響，預測范圍廣，計算結果準確。

技術領域

本發明涉及核材料輻照模擬技術領域，更具體地說，它涉及基于速率理論的鋯基合金中輻照硬化模擬方法及模型系統。

背景技術

燃料元件是反應堆的核心部件，主要由燃料芯塊和包殼組成。其中，包殼材料是最重要的反應堆結構材料之一，是核反應堆的第一道安全屏障。金屬鋯的熱中子吸收截面小，添加合金元素后制成的鋯合金由于具有良好的耐高溫水腐蝕性能和較好的力學性能，因而常被用作反應堆燃料元件的包殼材料。在嚴苛的反應堆條件下(高溫、高壓)，鋯包殼的失效形式有很多，比如水側腐蝕、氫脆、蠕變、疲勞等，反應堆內的中子輻照會加速這些過程的發展。

研究表明，中子輻照效應的本質是高能中子與晶格原子發生碰撞，離位級聯后產生點缺陷(空位、間隙原子)，空位和間隙原子相互作用演化為缺陷團簇(微孔、位錯環)，最終影響材料的堆內服役性能。因此，輻照效應的根源是“輻照缺陷”。中子輻照實驗是研究輻照缺陷的常用手段，但是大部分輻照實驗成本高、周期長、難度大，因此中子輻照核材料的數值模擬方法應運而生。多尺度數值模擬方法是目前常用的模擬方法，其中包含第一性原理方法、分子動力學方法、相場方法、速率理論方法、有限元分析方法等。速率理論方法等介觀尺度數值模擬方法的計算精度較高，涉及到的時間尺度較長、空間尺度較大，可以模擬缺陷和缺陷團簇的聚集、擴散、遷移等演化過程。

速率理論是一種模擬核材料輻照損傷微觀結構演化的方法，通過建立微觀尺度下的缺陷與基體原子之間的反應方程，從而求解缺陷及其團簇的濃度。在計算中，反應速率通常正比于反應物濃度的乘積，比例系數就是反應速率系數。最初，該方法首先被用于預測核燃料中裂變產物的行為，比如美國國家實驗室的GRASS-SST模型和FAST-GRASS模型，在上個世紀便已經用于預測UO2中裂變氣體的擴散。在核材料方面，法國研究者建立了純鋯的團簇動力學模型，所得的結果與實驗趨勢相似，但是仍無法精確的模擬中子輻照下鋯合金中缺陷的演化數據。國內，中國科學院固體物理研究所、復旦大學等均運用速率理論開展了相關研究，但均無法準確模擬核材料中輻照缺陷的濃度，更無法獲得能夠與工程或實驗相接軌的數據和參數。

經調研，鋯合金的輻照性能變化極其復雜，在輻照硬化、輻照生長機制等方面仍存在許多未解的難題。因此，如何研究設計一種基于速率理論的鋯基合金中輻照硬化模擬方法及模型系統是我們目前急需解決的問題。

發明內容

為解決現有技術中的不足，本發明的目的是提供基于速率理論的鋯基合金中輻照硬化模擬方法及模型系統，能夠準確的量化鋯基合金中的輻照硬化程度。

本發明的上述技術目的是通過以下技術方案得以實現的：

第一方面，提供了基于速率理論的鋯基合金中輻照硬化模擬方法，包括以下步驟：

S101：基于反應速率理論方法建立模擬位錯結構的演化和輻照生長模型；

S102：建立基于演化和輻照生長模型的輻照生長時的應變率計算模型；

S103：將獲取的材料參數作為數值模擬參數輸入至輻照生長時的應變率計算模型；

S104：通過輻照生長時的應變率計算模型依據數值模擬參數模擬計算輻照劑量對位錯環半徑、位錯密度、生長應變的影響關系；