[发明专利]基于速率理论的锆基合金中辐照硬化模拟方法及模型系统

说明书

本发明公开了基于速率理论的锆基合金中辐照硬化模拟方法及模型系统，涉及核材料辐照模拟技术领域，其技术方案要点是：建立模拟位错结构的演化和辐照生长模型；建立辐照生长时的应变率计算模型；将获取的材料参数输入至辐照生长时的应变率计算模型；通过辐照生长时的应变率计算模型依据数值模拟参数模拟计算辐照剂量对位错环半径、位错密度、生长应变的影响关系；通过预构建的硬化程度计算模型依据模拟计算的影响关系计算得到点缺陷吸收阱引起的硬化值。本发明不仅可模拟计算辐照剂量对位错环半径、位错密度、生长应变的影响以及辐照硬化，还可模拟锡和铌作为锆基合金中的合金元素对力学性能和辐照生长的影响，预测范围广，计算结果准确。

技术领域

本发明涉及核材料辐照模拟技术领域，更具体地说，它涉及基于速率理论的锆基合金中辐照硬化模拟方法及模型系统。

背景技术

燃料元件是反应堆的核心部件，主要由燃料芯块和包壳组成。其中，包壳材料是最重要的反应堆结构材料之一，是核反应堆的第一道安全屏障。金属锆的热中子吸收截面小，添加合金元素后制成的锆合金由于具有良好的耐高温水腐蚀性能和较好的力学性能，因而常被用作反应堆燃料元件的包壳材料。在严苛的反应堆条件下(高温、高压)，锆包壳的失效形式有很多，比如水侧腐蚀、氢脆、蠕变、疲劳等，反应堆内的中子辐照会加速这些过程的发展。

研究表明，中子辐照效应的本质是高能中子与晶格原子发生碰撞，离位级联后产生点缺陷(空位、间隙原子)，空位和间隙原子相互作用演化为缺陷团簇(微孔、位错环)，最终影响材料的堆内服役性能。因此，辐照效应的根源是“辐照缺陷”。中子辐照实验是研究辐照缺陷的常用手段，但是大部分辐照实验成本高、周期长、难度大，因此中子辐照核材料的数值模拟方法应运而生。多尺度数值模拟方法是目前常用的模拟方法，其中包含第一性原理方法、分子动力学方法、相场方法、速率理论方法、有限元分析方法等。速率理论方法等介观尺度数值模拟方法的计算精度较高，涉及到的时间尺度较长、空间尺度较大，可以模拟缺陷和缺陷团簇的聚集、扩散、迁移等演化过程。

速率理论是一种模拟核材料辐照损伤微观结构演化的方法，通过建立微观尺度下的缺陷与基体原子之间的反应方程，从而求解缺陷及其团簇的浓度。在计算中，反应速率通常正比于反应物浓度的乘积，比例系数就是反应速率系数。最初，该方法首先被用于预测核燃料中裂变产物的行为，比如美国国家实验室的GRASS-SST模型和FAST-GRASS模型，在上个世纪便已经用于预测UO2中裂变气体的扩散。在核材料方面，法国研究者建立了纯锆的团簇动力学模型，所得的结果与实验趋势相似，但是仍无法精确的模拟中子辐照下锆合金中缺陷的演化数据。国内，中国科学院固体物理研究所、复旦大学等均运用速率理论开展了相关研究，但均无法准确模拟核材料中辐照缺陷的浓度，更无法获得能够与工程或实验相接轨的数据和参数。

经调研，锆合金的辐照性能变化极其复杂，在辐照硬化、辐照生长机制等方面仍存在许多未解的难题。因此，如何研究设计一种基于速率理论的锆基合金中辐照硬化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

为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供基于速率理论的锆基合金中辐照硬化模拟方法及模型系统，能够准确的量化锆基合金中的辐照硬化程度。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

第一方面，提供了基于速率理论的锆基合金中辐照硬化模拟方法，包括以下步骤：

S101：基于反应速率理论方法建立模拟位错结构的演化和辐照生长模型；

S102：建立基于演化和辐照生长模型的辐照生长时的应变率计算模型；

S103：将获取的材料参数作为数值模拟参数输入至辐照生长时的应变率计算模型；

S104：通过辐照生长时的应变率计算模型依据数值模拟参数模拟计算辐照剂量对位错环半径、位错密度、生长应变的影响关系；