核反应堆用钢中点缺陷跃迁特性的模拟研究(4)
由于热模拟方法利用平衡点缺陷，与辐照引入的非平衡点缺陷有极大的差异，除了表征问题外，还有一些问题需要澄清及解释，主要体现在如何研究辐照中一些特有的现象，如在PKA的慢化过程中，富铜团簇有可能直接形核；非平衡在低温下加速了扩散进程，从而影响扩散控制的形核长大过程；辐照形成间隙环、坍塌位错环、基体缺陷等晶体缺陷，可能成为非均匀成核的核心。
1.4.2 模拟研究方法
由于表征上的困难以及辐照本身引入的诸多不确定性，开展模拟研究是一种值得探索的研究手段，通过模拟研究可以引导更精准的实验乃至替代部分难以开展的实验工作，且模拟可以自然地获取任意时刻的析出相分布，更有利于研究工作的深入展开。
目前，研究RPV钢在辐照条件下富铜团簇析出的主要手段包括KMC、速率理论以及相场模拟等手段，并且有逐渐将各种模拟方法结合，用多尺度模拟计算联合应用以联结微观与宏观现象的趋势。
动力学蒙特卡洛方法(kinetic Monte Carlo, KMC)是这一系列方法中最为主要的一种方法。KMC是把扩散控制型的形核长大过程看做一种马尔可夫过程(Markov process)，即体系从组态 到组态j，i→j这一过程只与其跃迁速率kij有关。如果精确地知道kij，便可以构造一个随机过程，使得体系按照正确的轨迹演化。目前，在辐照损伤KMC研究方面，F. Soisson[18]，C.Domain[19]在KMC激活能的模型建立以及团簇稳定性动力学特性方面做出了许多有意义的研究成果。Emmanuel Clouet等人[20, 21]对Al-Sc-Zr系合金的研究工作指出，该系合金在形核析出的过程中形成富Zr的壳层结构，由于Sc、Zr在扩散能力上存在差异，该壳层结构可以有效抵抗奥斯瓦尔德熟化效应，该研究为Al合金中稀土系元素改善析出相分布的现象提供了理论基础。Bonny
图1.3 欧盟PERFECT项目的多尺度模拟计算框架[19]
等人[22]在Fe-Cr系合金方面的研究明确给出形核核心的尺寸小于1.2nm，几乎达到多数表征手段的分辨率极限，同时可以明确析出过程中存在明确的形核、长大和粗化三个不同的动力学过程。KMC的一个主要问题是需要建立激活能的模型并加以量化，采用长程多体势函数实时计算激活能看似是精确并方便的方法，但正如难以采用分子动力学方法研究这一系列问题一样，多主元合金体系下点缺陷的扩散需要大量的计算以获取较长的累积模拟时间，长程多体势的计算量很大，不利于模拟研究的开展。因此需要采用比较简单的能量模型来描述激活能。目前主要是在刚性晶格模型的框架下开展研究工作，主要有两种激活能的描述模型，其一为Kinetic Ising Model(或FISE model)，此模型将鞍点能近似为起始状态能量和终止状态能量的平均值；第二种鞍点能近似处理方式是直接将鞍点能展开为跃迁原子在鞍点位置与周围原子组成的原子键对的对势能之和，称为Saddle-Point Energy Model；在短程双体作用假设下，这两种能量模型可以很好的用于点缺陷扩散及其驱动的团簇析出的研究。
除了KMC方法外，还有多种微观-介观尺度的模拟方法被用于研究富铜团簇析出。Gokhman等[23]用速率理论方法研究了长时间下铜团簇的演变， 析出尺寸等与实验现象符合。Paul C. Millett, Michael Tonks[24]用相场模拟的方法研究了聚变堆里气泡的生成，Haibo Wan, Yao Shen等[25]用相场模拟研究了空位在多层界面上的扩散，Shenyang Hu等[26]用相场模拟研究了间隙原子环的运动。这些方法研究的时空尺度都大于KMC所能达到的范围，但不足之处是它们所使用的唯象理论模型的使用前提是明确知晓扩散速率等数据，这一点目前只有用KMC方法或者采用实验数据等才能获得。因而KMC方法尤其是其能量模型的建立在多尺度模拟框架中具有首要地位。
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