聚变原型中子源D/Li剥离技术的计算材料评估：面向聚变材料测试的多尺度模拟研究

　　为解决聚变材料测试中子源缺乏的问题，美国研究团队通过多尺度计算方法（中子学、初级损伤计算、分子动力学模拟等）评估了D/Li剥离中子源（DONES）的适用性。研究表明，该源在铁基、钨、碳化硅和钒合金中能有效模拟ITER和DEMO的辐照条件，为聚变原型中子源（FPNS）选择提供了关键数据支撑。

　　

在追求商业化聚变能源的道路上，一个长期存在的瓶颈是缺乏能够模拟真实聚变环境的中子辐照设施。聚变堆结构材料在极端中子辐照下会产生位移损伤(dpa)、氦(He)和氢(H)嬗变产物，这些效应会显著影响材料的力学性能和寿命。然而，现有的中子源设施如裂变堆或加速器，其能谱与聚变中子(14 MeV)存在显著差异，导致材料测试结果与真实聚变条件不符。这一"能谱鸿沟"问题严重阻碍了聚变材料的研发进程。

为解决这一关键问题，研究人员开展了一项开创性的计算材料学研究。通过整合中子学、初级损伤计算、分子动力学(MD)模拟、化学库存演化和计算热力学等多尺度方法，团队系统评估了基于氘/锂剥离(D/Li-stripping)技术的中子源——国际聚变材料辐照设施-示范导向中子源(IFMIF-DONES)的适用性。这项研究首次将分析范围从传统的铁基材料扩展到包括低活化铁素体/马氏体钢(RAFM)、钨(W)、碳化硅(SiC)和钒合金(V-4Cr-4Ti)在内的四大类聚变候选结构材料，并与ITER水冷设计(ITER-wc)、DEMO氦冷设计(DEMO-hcll/hcpb)及理想14 MeV中子源进行了全面对比。论文发表在材料科学领域权威期刊《Current Opinion in Solid State and Materials Science》上。

研究采用了五项核心技术方法：(1)SPECTRA-PKA代码计算初级击出原子(PKA)能谱；(2)分子动力学模拟1-200 keV能级位移级联；(3)SCALE-ORIGEN程序追踪化学库存演变；(4)CALPHAD方法预测辐照相形成；(5)密度泛函理论(DFT)结合蒙特卡洛(MC)分析溶质-缺陷相互作用。

主要研究结果

4. 初级损伤计算
通过PKA能谱分析发现，DONES的PKA平均能量(68 keV for Eurofer97)介于DEMO(23 keV)和14 MeV源(184 keV)之间。分子动力学模拟证实，所有中子源在铁基和钒合金中都处于"亚级联阈值"以上，缺陷产生呈线性关系，表明DONES能准确模拟聚变条件。钨的模拟显示，虽然DEMO和ITER会产生更多Re/Ta嬗变产物，但DONES的缺陷产生机制与14 MeV源相似。

5. 化学库存演变
DONES在RAFM钢中产生的He/dpa比(9 appm/dpa)与DEMO-hcll相当，显著优于14 MeV源(21 appm/dpa)。值得注意的是，在钨中DONES会产生微量H(9 appm/dpa)，这可通过降低氘束能量至35 MeV来消除。碳化硅的嬗变分析显示，DONES的He产生率(174 appm/dpa)介于DEMO(94-214 appm/dpa)和14 MeV源(600 appm/dpa)之间。

6. 计算热力学评估
相稳定性预测表明，DONES诱导的相变行为与DEMO高度一致。在RAFM钢中，σ相(FeCr)在50 dpa/550°C时形成；钨中则可能生成W-Re-Os金属间化合物。特别的是，DONES在钨中预测到的氢化物形成可通过调整束流参数避免，而其在碳化硅中诱导的硼化物相则是区别于其他源的独特特征。

研究结论与意义
这项系统性评估证实，D/Li剥离中子源在关键参数上——包括位移损伤率(21 dpa/年 for Eurofer97)、He产生率及缺陷簇分布——能够充分模拟DEMO的辐照环境。研究首次建立了从初级损伤到化学相变的全链条评估框架，为聚变原型中子源(FPNS)的选择提供了科学依据。特别值得关注的是，研究揭示了通过调节氘束能量(40→35 MeV)可优化钨中H生成的工程解决方案，这对未来聚变堆设计具有重要指导价值。

该研究的创新点在于突破了传统中子学评估的局限，通过多尺度模拟揭示了DONES在原子尺度缺陷产生、介观尺度相变演化等方面的优势。尽管在碳化硅的高能级联模拟和钒合金的缺陷数据库方面仍存在知识缺口，但这项工作为后续聚变材料测试平台的建设和验证奠定了方法论基础，加速了商用聚变能开发的进程。