一种锆铌合金辐照下微观结构演化模拟方法、系统和设备与流程

本发明属于锆合金辐照考验，具体涉及一种锆铌合金辐照下微观结构演化模拟方法、系统和设备。

背景技术：

1、燃料包壳是最重要的反应堆结构之一，是反应堆一道重要的安全屏障，它包覆着燃料芯块，包容裂变产物，避免燃料与冷却剂发生反应。目前压水堆包壳材料均采用锆合金，其热中子吸收截面小，具有良好的耐高温水腐蚀性能和力学性能。目前，zr-4合金在商用压水堆中应用最广泛，属于zr-sn系合金。为了进一步提升锆合金的耐腐蚀性能，加拿大、俄罗斯、美国、法国等相继发展了zr-nb系合金。

2、为了研究性能更加优异的锆合金成分及工艺，获得锆合金在中子辐照条件下的微观结构演化过程，研究者致力于锆包壳的反应堆内考验和热室内微观表征工作。

3、目前，国内外通常采用在通量较高的研究堆中进行核电站工况下模拟，利用其高中子通量，以较短的时间考验其运行过程中是否安全可靠，但高通量辐照资源有限，且试验成本巨大，此外辐照后检验通常伴随放射性，对试验人员身体会造成一定伤害。

技术实现思路

1、为了解决现有的反应堆中子辐照和微观表征技术，试验成本高、存在安全风险等问题，本发明提供了一种锆铌合金辐照下微观结构演化模拟方法、系统和设备，本发明采用相场方法建立锆铌合金的微观结构模型，同时引入辐照缺陷演化的速率理论模型，获得辐照下锆铌合金的微观结构演化模型，利用该微观结构演化模型可以获得不同辐照条件下锆铌合金的微观结构演化和辐照缺陷分布，相较于现有的反应堆中子辐照和微观表征技术，大幅降低了试验成本，减少试验时间，同时不需要试验人员接触放射性物质，保障试验安全性。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种锆铌合金辐照下微观结构演化模拟方法，所述方法包括：

4、采用相场法建立锆铌合金的微观结构模型，同时引入辐照缺陷演化的速率理论模型，获得辐照下锆铌合金的微观结构演化模型；

5、利用辐照下锆铌合金的微观结构演化模型模拟得到不同辐照条件下锆铌合金微观结构演化和辐照缺陷分布。

6、现有的反应堆中子辐照和微观表征技术，试验成本高，且试验效率较低，同时辐照后检验通常伴随放射性，其会对试验人员身体造成一定伤害。而本发明提出了一种基于数值模拟技术的锆铌合金辐照下微观结构演化模拟方法，其利用相场法建立锆铌合金的微观结构模型，并引入辐照缺陷演化的速率理论模型，获得辐照下锆铌合金的微观结构演化模型，利用该模型可以实现中子辐照下锆铌合金中辐照缺陷和微观结构演化的计算机模型，能够快速准确获得辐照条件和合金成分对锆合金的影响，其无需消耗大量的辐照资源，大幅降低了试验成本，减少了试验时间，同时试验人员不需要接触放射性物质，保障人身安全。

7、此外，本发明提出的方法还能够为后续锆铌合金的其他性能数值模拟计算提供更加准确可靠的初始模型和输入参数，为锆合金辐照考验和性能研究提供了更加准确、可靠的技术支撑和数据支撑。

8、作为优选实施方式，本发明的辐照下锆铌合金的微观结构演化模型具体为：

9、

10、

11、

12、

13、

14、其中，c表示锆元素浓度，表示锆原子的动力学系数，为吉布斯能量，γ表示原子迁移频率，<c>w表示锆元素浓度的平均值，为锆元素的高斯热噪声，表示点缺陷的产生率，εi表示间隙原子的团簇化比例，di表示间隙原子扩散率，λg为空位的平均自由程，μ(ρi，ρv)表示缺陷阱强度，αr表示点缺陷复合速率，cv表示空位浓度，cv0表示平衡空位浓度，εv表示空位的团簇化比例，dv表示空位的扩散率，表示空位的高斯热噪声，lv表示空位的动力学系数，表示原子膨胀体积的平方，表示缺陷与基体原子之间的平均平方距离，表示辐照剂量率；φ表示第二相的序参数，mφ为第二相的动力学系数，表示第二相的高斯热噪声；ρi表示间隙环密度，ρv表示空位环密度，ri表示间隙环的平均尺寸，rv表示空位环的平均尺寸，表示柏氏矢量的模，表示泊松比，表示体模量与原子体积的乘积。作为优选实施方式，本发明在微观结构演化模型构建过程中，假设间隙原子浓度不变。

15、作为优选实施方式，本发明中，在堆内中子辐照下，锆铌合金中会产生非平衡点缺陷，点缺陷是移动的，会发生复合、扩散到缺陷阱。

16、作为优选实施方式，本发明的锆铌合金体系中的缺陷由速率理论方程表示。

17、作为优选实施方式，本发明的方法还包括：

18、输出所述微观结构演化模型以及模拟得到的不同辐照条件下锆铌合金微观结构演化和辐照缺陷分布，为锆铌合金其他性能数值模拟计算提供初始模型和输入参数。

19、第二方面，本发明提出了一种锆铌合金辐照下微观结构演化模拟系统，所述系统包括：

20、模型构建单元，所述模型构建单元采用相场法建立锆铌合金的微观结构模型，同时引入辐照缺陷演化的速率理论模型，获得辐照下锆铌合金的微观结构演化模型；

21、以及数值模拟单元，所述数值模拟单元利用辐照下锆铌合金的微观结构演化模拟模拟得到不同辐照条件下锆铌合金微观结构演化和辐照缺陷分布。

22、作为优选实施方式，本发明的系统还包括：

23、输出单元，所述输出单元输出微观结构演化模型和模拟得到的不同辐照条件下锆铌合金微观结构演化和辐照缺陷分布，为锆铌合金其他数值模拟系统提供初始模型和输入参数。

24、第三方面，本发明提出了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明所述方法的步骤。

25、第四方面，本发明提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明所述方法的步骤。

26、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

27、1、本发明采用相场法建立锆铌合金的微观结构模型，并引入辐照缺陷演化的速率理论模型，从而获得辐照下锆铌合金的微观结构演化模型，利用该微观结构演化模型可以快速准确模拟不同辐照条件下锆铌合金结构演化和辐照缺陷分布，相较于现有的反应堆中子辐照和微观表征技术，可以大幅度减少试验时间和试验成本，且不需要试验人员接触放射性物质，保障试验人员人身安全；

28、2、本发明还可以为后期锆铌合金力学性能的数值模拟计算等提供更加准确可靠的初始模型和输入参数，对锆铌合金的性能研究具有非常重要的意义。

技术特征：

1.一种锆铌合金辐照下微观结构演化模拟方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的一种锆铌合金辐照下微观结构演化模拟方法，其特征在于，辐照下锆铌合金的微观结构演化模型具体为：

3.根据权利要求1或2所述的一种锆铌合金辐照下微观结构演化模拟方法，其特征在于，在微观结构演化模型构建过程中，假设间隙原子浓度不变。

4.根据权利要求1或2所述的一种锆铌合金辐照下微观结构演化模拟方法，其特征在于，在堆内中子辐照下，锆铌合金中会产生非平衡点缺陷，点缺陷是移动的，会发生复合、扩散到缺陷阱。

5.根据权利要求4所述的一种锆铌合金辐照下微观结构演化模拟方法，其特征在于，锆铌合金体系中的缺陷由速率理论方程表示。

6.根据权利要求1或2所述的一种锆铌合金辐照下微观结构演化模拟方法，其特征在于，所述方法还包括：

7.一种锆铌合金辐照下微观结构演化模拟系统，其特征在于，所述系统包括：

8.根据权利要求7所述的一种锆铌合金辐照下微观结构演化模拟系统，其特征在于，所述系统还包括：

9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-6中任一项所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-6中任一项所述方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种锆铌合金辐照下微观结构演化模拟方法、系统和设备。该方法包括：采用相场法建立锆铌合金的微观结构模型，引入辐照缺陷演化的速率理论模型，获得辐照下锆铌合金的微观结构演化模型；利用辐照下锆铌合金的微观结构演化模型模拟得到不同辐照条件下锆铌合金微观结构演化和辐照缺陷分布。本发明利用相场法建立锆铌合金的微观结构模型，并引入辐照缺陷演化的速率理论模型，获得辐照下锆铌合金的微观结构演化模型，利用该模型可以实现中子辐照下锆铌合金中辐照缺陷和微观结构演化的计算机模型，能够快速准确获得辐照条件和合金成分对锆合金的影响，大幅降低了试验成本和试验时间，同时试验人员不需要接触放射性物质，保障人身安全。

技术研发人员：信天缘,扶靓虔,潘荣剑,吴璐,伍晓勇,赵民,张伟,马聪,方忠强,王青青,米俊峰,许克,滕常青,孔祥刚,赵鑫
受保护的技术使用者：中国核动力研究设计院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19