【摘 要】
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发展核电是缓解能源问题的重要手段,包壳管作为核电站重要的安全屏障,不仅用于装核燃料芯块及传递热量,也是防止核反应中的裂变产物泄漏的重要包壳结构。锆合金作为燃料包壳,面临着反应堆内材料的辐照损伤的问题,故需要具有良好的综合机械性能,其组成成分有Sn、Fe、Ni和Cr等,合金元素Sn、Fe、Ni、Cr可提高材料的机械性能、耐蚀性和导热性,降低表面状态对腐蚀的敏感性,其中Sn和Fe占主体,本文以最主要的
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发展核电是缓解能源问题的重要手段,包壳管作为核电站重要的安全屏障,不仅用于装核燃料芯块及传递热量,也是防止核反应中的裂变产物泄漏的重要包壳结构。锆合金作为燃料包壳,面临着反应堆内材料的辐照损伤的问题,故需要具有良好的综合机械性能,其组成成分有Sn、Fe、Ni和Cr等,合金元素Sn、Fe、Ni、Cr可提高材料的机械性能、耐蚀性和导热性,降低表面状态对腐蚀的敏感性,其中Sn和Fe占主体,本文以最主要的Zr-Sn和Zr-Sn-Fe合金为研究对象,而后再进行裂变碎片对锆合金的辐照损伤模拟研究。基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,计算了含不同量Sn元素在纯锆超胞中不同位置的形成能,研究Sn掺杂到纯Zr超胞结构的稳定性,确定Sn在纯锆超胞中最稳定的位置,而后掺杂Fe元素,研究Fe作为锆合金重要组成成分所起的作用;然后对锆合金模型进行再次掺杂,建立裂变碎片Xe和Kr对锆包壳辐照损伤后的缺陷模型。针对Zr-Sn合金和Zr-Sn-Fe合金模型,计算了晶格参数、弹性模量、剪切模量、泊松比、态密度DOS及差分电荷密度等性质,分析Sn对Zr超胞结构的影响;计算缺陷模型的力热学性质,分析Xe和Kr对Zr-Sn包壳的影响规律和作用机制,为锆合金包壳材料的设计及研究提供依据。研究主要得出如下结论:（1）对于Zr-Sn合金,纯Zr超胞结构、VS缺陷结构、SS缺陷结构、TIS缺陷结构及TIS缺陷结构的B/G值均大于1.75,泊松比ν均大于0.3,Zr-Sn合金为延展性材料;SS缺陷结构的形成能为负值,较容易形成;SS缺陷结构的G值和E值均最大,SS缺陷结构材料具有最强硬度;缺陷结构均存在不同程度的电荷转移,表明掺杂Sn后原子间相互作用更强,晶胞稳定性加强。（2）对于Zr-Sn-Fe合金,掺杂Fe原子后B/G和ν的值均变大,表明Zr14Sn Fe体系的材料延展性更好,即掺杂Fe原子一定程度可降低脆化的可能性;电荷转移数据表明,Zr15Sn体系和Zr14Sn Fe体系掺杂Fe原子后电荷转移数变多,Sn原子和Fe原子得到电子,Zr失去电子,得失电子更加明显,表明当掺杂Fe原子后,Zr-Sn-Fe体系的稳定性加强。（3）对于掺杂裂变气体的锆合金,裂变碎片Xe和Kr都会使锆合金的抵抗变形能力降低;掺杂Xe和Kr使锆合金硬度都降低;从德拜温度计算结果看,掺杂Xe和Kr后共价键强度降低。
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