Galvin C O T, Andersson D A, Sweet R T, et al. Diffusional creep model in UO2 informed by lower-length scale simulations[J]. Journal of Nuclear Materials, 2025, 607: 155659.
Galvin, Conor OT, et al. "Diffusional creep model in UO2 informed by lower-length scale simulations." Journal of Nuclear Materials 607 (2025): 155659.
Galvin, C. O., Andersson, D. A., Sweet, R. T., Capolungo, L., & Cooper, M. W. (2025). Diffusional creep model in UO2 informed by lower-length scale simulations. Journal of Nuclear Materials, 607, 155659.
背景简介
铀氧化物（UO2）作为轻水堆中常用的核燃料材料，其高温蠕变行为对燃料服役性能具有重要影响，特别是在影响燃料与包壳的间隙及包壳应力方面。扩散蠕变主要包括两种机制：Nabarro-Herring机制（体扩散）和Coble机制（晶界扩散），其主导机制在UO2中长期存在争议。试验数据的离散性和单晶与多晶数据的不一致，使得试验本身难以揭示主导机制。此外，试验中推导出的自扩散系数与示踪试验的结果之间也存在明显差异，这表明对UO2中扩散蠕变的基础理解仍不充分。本文旨在通过原子尺度的多尺度模拟，开发一个机制明确的UO2扩散蠕变模型，以阐明其主导蠕变机制并为后续考虑辐照效应和掺杂影响提供基础。
（1）本文首先通过密度泛函理论与分子动力学模拟，计算了UO2中铀空位在体相及Σ9、Σ11晶界的扩散系数和浓度分布。结果显示，晶界处的铀空位扩散系数与体相相比高出数个数量级，铀空位在晶界处的浓度也远高于体相（图1a和图1b）。这一工作揭示了铀空位在晶界的高扩散性与高富集性，预示Coble蠕变机制可能是主导机制。
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图1在体相和晶界处的铀空位扩散系数和空位浓度模拟结果：(a) 铀空位扩散系数 Arrhenius 图；(b) 铀空位浓度 Arrhenius 图。在两图中，粉色表示体相，蓝色表示晶界，不同形状用于区分数据
（2）在获得铀空位扩散系数与浓度后，作者计算了UO2中铀的自扩散系数，并与已有的单晶、多晶示踪试验数据及从蠕变试验结果反推的自扩散数据进行对比（图2）。发现晶界及体相处的自扩散系数模拟结果与试验数据高度一致，并且与假设Coble机制下从蠕变试验推导出的自扩散系数吻合良好，这进一步说明了Coble机制是UO2中主要的扩散蠕变机制。
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图2 体相与晶界处的铀空位自扩散系数模拟结果与试验数据对比。灰色图标为模拟结果，实心方块表示体相处模拟结果，实心圆点则表示晶界处模拟结果。SC代表单晶，PC代表多晶。Tracer代表示踪试验数据。示踪试验是一类通过引入“示踪原子”或“示踪同位素”来研究物质迁移（如扩散）行为的试验方法。粉色条带表示基于不同试验蠕变速率并假定 Nabarro-Herring 蠕变机制所推导的自扩散率，蓝色条带则表示对相同试验蠕变速率，假定 Coble 蠕变机制所推导的自扩散率
（3）在晶界处力学参数计算中，则专门选择Σ11晶界，获得了弹性偶极张量，明确量化了晶界处应力梯度对空位迁移的驱动力差异，获得了Σ11晶界处蠕变相关的关键力学参数，为Coble蠕变机制的热力学驱动力提供了量化依据，这一结果表明晶界处应力梯度对空位迁移的驱动力与体相有显著差异，且方向相反。Coble蠕变模型形式如下：
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该公式中，εCoble,x表示由缺陷x引起的Coble蠕变速率，|ΩGB,X|为缺陷x在晶界的原子体积，DxGB是缺陷x在晶界的扩散系数，[xGB] 表示缺陷x在晶界的浓度，δ为晶界厚度，kB为Boltzmann常数，T为绝对温度，G为晶粒尺寸，σv为von Mises等效应力。
（4）结合上述参数，作者开发了完整的扩散蠕变预测模型，他们提出的模型分别计算了Nabarro-Herring与Coble机制的贡献再以求和的方式计算总扩散蠕变速率。预测结果表明，Coble机制在整个温度、应力、晶粒尺寸范围内占主导地位，且模型预测的蠕变速率与文献试验结果一致，特别是在低应力条件下具有良好的一致性。总蠕变速率表达式如下：
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其中Nabarro-Herring部分中，|ΩX|为缺陷x的原子体积，Dx为缺陷x的扩散系数，[x]为缺陷浓度。其余参数同Coble模型。
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图3 (a) 两种温度下，在10 MPa应力条件下的蠕变速率与晶粒尺寸的关系，两种蠕变机制预测的结果用不同线型表示。(b) 以该工作提出的整合两种蠕变机制的模型预测的在1623 K和不同晶粒尺寸条件下的蠕变速率与应力的关系，并与试验数据进行对比
致谢
本研究的主要资金支持来自美国能源部核能办公室的 NEAMS（核能先进建模与仿真）计划（所有作者）。除铀空位之外的缺陷偏聚模拟及偏聚模型研究得到了美国能源部科学办公室基础能源科学材料科学与工程处（项目编号 FWP LANLE8AN）的资助，由 C.O.T.G.、D.A.A. 和 M.W.D.C. 完成。本研究使用了洛斯阿拉莫斯国家实验室机构计算项目提供的计算资源，该项目由美国能源部国家核安全局根据合同号 89233218CNA000001 支持。此外，本研究还使用了爱达荷国家实验室的计算资源，这些资源由美国能源部核能办公室和核科学用户设施根据合同号 DE-AC07-05ID14517 提供支持。本文第一作者：Conor O.T. Galvin（Los Alamos National Laboratory），本文通讯作者：Conor O.T. Galvin（Los Alamos National Laboratory）。
本期小编 董乃健（整理）
周子尧（校对）
舒 阳 （审核）
董乃健（发布）
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