第1章反应堆结构材料辐照效应研究背景及意义
1.1结构材料辐照效应研究背景
核能作为一种清洁、安全和经济的新型能源，是解决能源危机与环境问题的有效途径。反应堆结构材料作为整个反应堆的骨架，其性能好坏是反应堆能否安全运行的重要因素。1986年切尔诺贝利核事故及2011年日本福岛核事故，与反应堆外壳及其他部件的失效有着密不可分的联系，酿成了巨大的社会悲剧，引起了社会对反应堆安全性的强烈关注。反应堆结构材料主要包含堆芯结构材料、燃料(棒)包壳材料以及反应堆压力容器、驱动机构材料等，其服役环境往往比较复杂，除高温、高压外，高能粒子对结构材料的辐照损伤是造成材料失效的主要原因之一。因此，结构材料的辐照损伤是反应堆工程和材料科学领域的研究重点。所谓材料辐照损伤，是指射线粒子(中子、质子、重离子、电子等)与材料原子发生相互作用，包括碰撞过程、缺陷形成过程和微观结构演化过程，进而引起的材料物理、组织成分、结构和性能上的变化，从而对反应堆的安全产生威胁。辐照条件的复杂性使得完全通过实验来安全高效地进行核反应堆结构材料的设计和验证还存在很大的困难。
近年来，依托高性能计算技术(high-performance computing，HPC)，实现高保真、高精细的数值模拟成了研究反应堆结构材料辐照损伤的一条不可或缺的途径。多尺度模拟结合高性能技术，辅以必要的实验验证，成为结构材料辐照损伤研究的主要手段。目前，欧美发达国家均开展了材料辐照损伤模拟相关研究，资金投入达数十亿美元。欧盟启动了多个材料辐照损伤模拟相关的研究项目，包括反应堆压力容器(reactor pressure vessel，RPV)系列项目[1，2]、“地平线2020——原子能共同体”计划等；美国也先后启动了CASL(consortium for advanced simulation of light water reactors)、NEAMS(nuclear energy advanced modeling and simulation)、LWRs计划(light water reactor sustainability program)、ExMatEx(extending the reach of molecular)等项目。目前，CASL的部分成果已用于美国AP1000堆芯结构的模拟计算，进一步的NEAMS则开发了面向对象多物理耦合集成平台MOOSE(multiscale object-oriented simulation environment)，并在此基础上，从燃料产品线和反应堆产品线开展物理-热工-结构-材料-燃料的高精细多物理耦合模拟研究。
我国在反应堆结构材料辐照损伤模拟的研究方面紧跟国际热点，开展了一系列相关项目。国家高技术研究发展计划(863计划)课题“核反应堆关键材料性能优化高性能数值模拟软件研发”提出面向我国核能的安全高效发展，针对我国现役核电站的结构材料成分组织设计、性能优化及安全性等挑战性难题，研制面向反应堆关键部件材料的性能设计及优化模拟软件；借助高性能计算，在反应堆关键结构部件的性能退化机理、寿命预测以及材料性能优化技术等方案取得突破，特别是在P级(peta-scale，1PFLOPS=1015FLOPS，每秒千万亿次浮点运算)计算机上实现了压水堆关键材料微观结构演化的原子的微观尺度模拟[3]，达到了国内领先、国际先进的水平。国家重点研发计划项目“数值反应堆原型系统开发及示范应用”在863项目的基础上，进一步规划了我国反应堆结构材料辐照损伤高性能计算的研究路线：以E级(exa-scale，1EFLOPS=1018FLOPS，每秒百亿亿次浮点运算)超级计算机为依托，建立多尺度模拟框架体系，明确各尺度模块计算模型与算法及相互间的耦合规则和接口规范；研究面向E级计算的可扩展并行算法与优化技术；开发了一系列反应堆结构材料模拟软件MISA-MD[4]、MISA-AKMC、MISA-SCD[5]及它们之间多尺度耦合应用平台MISA(multi-scale simulation of materials)；开展模拟验证及置信度分析的方法和技术研究，开展软件系统验证和典型示范应用。
近几年人工智能和大数据技术的飞速发展，为材料辐照效应的研究注入了新的血液，科研人员开始使用两者进行模型改进、参数训练、可视化方面的工作，并带来了值得深入的成果。反应堆结构材料辐照损伤模拟软件的研发，横跨反应堆工程、高性能计算、软件工程及人工智能等多个学科，如何发挥各学科优势，融合多种技术的特点，突破反应堆结构材料辐照损伤高性能计算的多个关键技术，建立生产实用的材料模拟软件，依然任重道远。
1.2结构材料辐照效应多尺度计算模拟的需求与挑战
核反应堆中结构材料的辐照效应是从辐照诱导微观损伤产生到材料(部分)宏观性能失效的典型多尺度过程，时间上跨越中子-原子碰撞到数十年的反应堆寿命(40～60年)，超过21个数量级；空间上跨越原子核到结构部件(>10m)，超过15个数量级[6]。材料领域的研究者们在各个时空尺度上，建立了不同的模型和方法，组成材料辐照损伤的多尺度建模与模拟技术，成为国际上广泛应用的材料辐照损伤研究方法，以预测由辐照诱导的所有缺陷的产生、迁移、演化及其对材料性能的影响。超级计算机以及并行计算技术的发展，极大地提升了研究者们开展材料模拟计算的能力，使得开展材料高精细模拟计算成为可能。但由于反应堆工况下的材料性能降级非常复杂，模拟计算的复杂度极高，且辐照在材料中形成的纳米/微观结构的混合体需要用许多变量来描述，这对超级计算机的内存提出了更高的要求。多尺度模拟是计算密集型的，而大规模并行计算可以通过并行运行不同空间区域的模拟，来克服长尺度的约束。从计算观点来看，理解、约束和控制1mol物质(约原子或分子，至少9自由度/原子或分子)在1秒内的演化行为，是非常大的挑战，需要E级超算的计算能力。以材料辐照损伤大规模经典分子动力学(molecular dynamics，MD)模拟计算为例，见表1.1，在辐照缺陷产生及演化的各阶段，其计算量急剧增加。其他辐照损伤模拟方法的计算复杂度也对超级计算机提出了需求，如动力学蒙特卡罗(kinetic Monte Carlo，KMC)方法的计算复杂度为，其中N为粒子数；团簇动力学(cluster dynamics，CD)的计算复杂度为，其中为非线性方程的个数，模拟微米尺度的材料演化时，达到。目前，辐照损伤实验表征技术(如三维原子探针、高分辨率透射电镜等)已经可以观测缺陷的原子尺度特征，但实验不能获得纳米级稳定缺陷的动态演化过程及其对材料性能降级的影响。大规模原子尺度模拟有望动态地分析辐照缺陷的产生以及演化过程，而目前的辐照损伤原子尺度模拟方法由于时空尺度的局限性，不足以获得直接与实验结果对比的工程应用参数，已有的模拟软件和算法尚不能满足工程应用需求。基于高性能计算机开发针对材料辐照效应的高性能多尺度模拟软件有望进一步深入理解材料的辐照损伤机理，为材料优化与设计研发奠定基础。
随着核能系统安全性、经济性和可靠性的提高，核反应堆的运行温度和中子通量都上升到了新的水平，如图1.1所示，对其核心结构材料(压力容器、快堆主容器、聚变堆第一壁材料等)提出了更加严苛的要求。反应堆的核心是一个能量密度很高的热源，处在那里的材料面临着高温、高压、高辐照的作用[7]。材料暴露在这样的环境中，会导致明显的微观结构演化、性能变化和性能退化，从而限制现有反应堆的长期运行，制约先进裂变聚变反应堆的设计。研发更加耐辐照的新材料成为现役反应堆延寿、先进核能系统发展的关键问题之一，也成为材料科学领域的一大挑战性问题。
图1.1Ⅱ～Ⅲ代反应堆及先进反应堆的运行温度和辐照剂量[8]
目前，缺陷产生的短时过程(即级联碰撞过程，约ps、nm尺度)已经能够通过第一性原理[9，10]、MD[3，11-15]等原子层次的模拟技术获得大量初始损伤信息。然而，初始缺陷的聚集、输运、湮灭以及与已有微结构(位错、晶界等)的相互作用等长尺度的演化过程，往往超出了原子层次所能模拟的范围，需要采用粗粒化的方法进行处理。KMC方法[13，16-18]是一种经典的粗粒化研究方法，通过跟踪每个缺陷在材料内的随机扩散过程来模拟缺陷的演化，已被广泛引用于缺陷形核[19]、退火[20]、溶质析出[21，22]等微结构演化过程的模拟计算中。然而，KMC的计算成本限制了可以模拟的系统尺寸和损伤剂量，所能模拟的损伤剂量一般不超过1dpa[23](displacement per atom，每原子位移)，因此不能模拟真实微观结构的整体演化。基于平均场速率理论发展而来CD方法[24]简化了底层的物理模型，克服了KMC的模拟限制，具有计算速度快、计算效率高且无时空尺度限制等有点，已被广泛应用于各种辐照损伤过程的研究中，例如惰性气体行为和空洞长大[25-27]、位错环形核长大[28-30]、辐照诱导溶质析出[22，31，32]等。然而，CD模拟面临两大难题：一方面，由于每个团簇类型都要用一个速率方程描述，方程量随着模拟缺陷种类(杂质、合金元素、裂变气体等)的增加而指数增加[23]，例如，要描述直径达50nm的空洞的演化，大约需要108个方程[24]；另一方面，缺陷演化的微分方程系统通常是刚性的，即对于某些反应的反应速率很大，而对其他的则可能很小，使得模拟计算的复杂度极大地增加。这些问题都为开展高精细的多尺度模拟带来了挑战。
多尺度模拟是国际上广泛应用的材料辐照损伤模拟手段，其关键在于各尺度之间的耦合与消息通信。各尺度所采用物理模型的准确性以及消息通信的正确性是决定多尺度模拟准确性和合理性的关键因素。为尽可能准确地预测材料辐照性能，科学家们致力于扩展各尺度的模拟范围，减少各尺度之间消息的传递，理解材料微观结构原子层次演化规律。高精细的多尺度计算模拟意味着尽可能多地包含各种缺陷类型，以及缺陷间的多种相互作用，这就意味着需要尽可能地建立全面的物理模型并延长各模拟方法的时空尺度，这给计算机的存储能力和计算能力都带来相当大的挑战。超级计算机具备极高的浮点运算速度、大容量内存，其并行处理能力称为多尺度计算模拟的强力支撑。目前国内外现有的超算，如神威、天河、Summit(顶点)、Fugaku(富岳)等世界排名领先的机器，运算速度均在P级以上，各国竞相推出的更高性能的E级超算，使得更加精细的多尺度模拟成为可能，为结构材料的高精细多尺度模拟带来了新的机遇，这对理解材料微观结构的演化规律、预测宏观性能变化，新材料设计以及反应堆延寿具有重要意义。
第2章结构材料多尺度模拟及计算需求
2.1多尺度建模与模拟技术
材料的辐照效应是一个非常复杂的过程，涉及缺陷的产生、扩散、反应、累积等长时间的动力学过程。高能粒子(如离子、中子等)入射到材料中会撞击晶格原子，造成晶格原子离位形成点缺陷(如自间隙原子和空位)和小团簇等局部损伤，这一过程称为“级联碰撞”过程。这一阶段包括*初的粒子弹道过程，随后的热峰过程以及非热和热扩散复合的弛豫过程，整个阶段的持续时间在皮秒量级[7]，空间上跨越几十至几百纳米[33]。级联碰撞过程之后，大部分缺陷会在高温下复合湮灭，剩下的少许缺陷形成初级辐照损伤。接着，这些缺陷在服役温度、应力等作用下，经过长时扩散、累积等动力学演化过程，形成缺陷团簇、析出物、空洞、位错环等微观结构，它们与材料内位错、晶界等发生作用，在服役环境的作用下*终会引起材料宏观性能变化(如脆化、肿胀、腐蚀等)[34]，这一过程则发生在微秒到数年的时间尺度和纳米到米的空间尺度上[23]。由此可见，辐照诱导材料辐照损伤的过程是一个微观(级联碰撞)→介观(缺陷演化)→宏观(热、力学性能)的多尺度过程，如图2.1所示，相关的过程跨越了很长的时空尺度。
在各个时空尺度上，材料领域的研究者们建立了不同的模型和方法，组成了材料辐
展开
