間隙原子在核石墨中遷移與結(jié)合規(guī)律的模擬計算

徐海婷 吳喜軍 劉 衛(wèi) 譚 捷 楊 果 鄧 柯 張銘軍 錢 楠 彭志華

1（南華大學(xué) 數(shù)理學(xué)院 衡陽421001）

2（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海201800）

核石墨作為中子慢化劑、反射層、燃料球包覆材料以及堆內(nèi)結(jié)構(gòu)材料被廣泛應(yīng)用于各型反應(yīng)堆中［1］。反應(yīng)堆中的核石墨除承受常規(guī)工程結(jié)構(gòu)材料的負荷外，還需承受大劑量中子輻照，從而產(chǎn)生大量間隙原子并穩(wěn)定存在于表面（稱為吸附碳原子）或石墨片層之間［2］。間隙原子是從規(guī)則碳晶格點中被濺射出來沉淀在石墨層間或表面的點缺陷，因其存在未飽和的碳鍵，導(dǎo)致核石墨的性質(zhì)活潑、結(jié)構(gòu)多變［3-5］。近年來，研究人員利用第一性原理［6-7］或分子動力學(xué)方法［8-9］探索石墨中間隙原子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，計算不同亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)之間的能壘，如Zhou等［10］利用高溫分子動力學(xué)（Molecular Dynamics，MD）和自適應(yīng)動態(tài)蒙特卡羅（a Kinetic Monte Carlo，a-KMC）方法研究螺旋間隙原子在石墨片層內(nèi)和層間的遷移與結(jié)合行為。有研究表明，間隙原子之間以及與石墨片層間的相互作用不可避免地會影響間隙原子的結(jié)構(gòu)［11］，但其發(fā)生的內(nèi)在機制尚不明確，深入研究間隙原子結(jié)構(gòu)變化的內(nèi)在機制，對確定核石墨壽命具有重要的參考意義。

綜上所述，目前對核石墨層間間隙原子等點缺陷的遷移與結(jié)合行為的研究還很少，對核石墨間隙原子的構(gòu)型與演化尚不十分明確。第一性原理計算方法僅需要微觀體系中各元素的原子種類和排列，就能得出微觀體系的一些性質(zhì)，可計算材料結(jié)構(gòu)參數(shù)和構(gòu)型、狀態(tài)方程和力學(xué)性質(zhì)、電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)與磁學(xué)性質(zhì)等［12］。……