基于神经演化势的含C和O杂质UN燃料辐照损伤分子动力学研究

《Journal of Nuclear Engineering》：Irradiation Damage in Uranium Mononitride with C and O Impurities: A Molecular Dynamics Study

　　

一氮化铀（UN）是一种前景广阔的高级核燃料，但辐射诱导缺陷会损害其性能与寿命。分子动力学（MD）模拟对于捕获这些原子尺度行为不可或缺，然而其在UN体系中的应用长期受限于经典经验势精度不足的问题。本研究采用面向含C和O杂质UN体系的高保真神经演化势（NEP），系统评估了纯净及含杂质UN燃料中的辐照损伤。结果表明，沿不同初级击出原子（PKA）方向级联碰撞诱导的缺陷演化行为差异甚微。PKA能量与残余缺陷数大致成正比；然而在相同PKA能量和温度下，UN中的残余缺陷数显著少于UO₂。在所研究温度范围内，峰值缺陷数随温度升高呈增加趋势，而残余缺陷数略微下降，对应湮灭效率随温度升高而增加。空位比间隙原子更易形成团簇，且UN体系中的团簇数量和尺寸均显著小于UO₂。对于含杂质体系，提高杂质浓度略微降低残余缺陷数，而湮灭效率的变化未表现出明显的浓度依赖性。本研究为UN的辐射损伤行为提供了系统的原子尺度参考，并凸显了杂质效应在评估其辐照性能中的重要性。

一、研究背景与意义

一氮化铀（UN）因其高铀密度、优异的热导率和高熔点，被视为未来先进核反应堆的重要候选燃料。在反应堆运行过程中，燃料遭受高能粒子的严重辐射损伤，产生大量点缺陷作为初级损伤，这些点缺陷随后演化为空洞、堆垛层错和位错环等扩展微结构缺陷，严重损害燃料性能并限制其服役寿命。因此，理解UN燃料的辐照损伤行为，包括缺陷的形成与演化及其与燃料性能的关系，对评估UN燃料的服役性能具有重要意义。然而，当前UN辐照损伤的实验研究存在明显局限：历史数据多追溯至二十余年前且局限于中等中子注量，微结构演化表征有限；中子辐照周期长、成本高，且需要热室设施进行辐照后检验，全球可用研究堆数量有限；此外，专门针对UN的辐照数据极为稀缺，少数已有研究集中于质子辐照，难以系统揭示辐照损伤机制。为克服实验在捕获辐照下原子行为复杂时空演化方面的局限，原子尺度模拟成为不可或缺的手段。其中，分子动力学（MD）模拟是应用最广泛的方法，已广泛用于各种核燃料的辐射损伤研究。MD模拟通过数值求解牛顿运动方程追踪原子轨迹，具有较高的计算效率和处理数万至数百万原子大规模体系的能力。然而，MD模拟的精度从根本上取决于原子间势的质量，而UN体系的势目前主要为经验势。迄今为止，UN体系辐射损伤的MD模拟在文献中仍然稀少。Schneider等人采用MD模拟研究了辐射诱导的非热扩散率随裂变率密度的变化。Alzate-Vargas等人开发了首个UN的机器学习原子间势，并初步研究了1 keV初级击出原子（PKA）下的缺陷演化过程。此外，已有文献仅限于纯净UN体系，完全未探索C/O杂质的影响。由于C和O杂质在燃料制备和合成过程中往往不可避免，评估含杂质UN体系的辐射损伤是迈向准确性能预测的关键且必要的步骤。机器学习原子间势（MLIP）的出现有效解决了经典经验势精度不足的长期瓶颈，同时为捕获多元素效应提供了更大的灵活性。在已有的MLIP训练框架中，神经演化势（NEP）因在保持与密度泛函理论（DFT）相当的精度的同时实现接近甚至超过经典经验势的计算效率而近年来被广泛使用。研究人员近期开发了首个含C和O杂质的UN体系NEP，用于研究纯净和缺陷UN体系的热物理性质及杂质扩散行为，验证了该NEP能准确重现UN体系的体性质及杂质诱导的变化，为模拟真实UN燃料的辐射损伤开辟了新途径。本研究利用所开发的高保真NEP，对UN燃料进行系统的辐射损伤模拟，综合评价PKA能量、温度和杂质浓度的协同效应对位移级联的影响，旨在揭示UN辐射退化的底层原子尺度机制，并定量分析不同辐射诱导缺陷构型，建立辐照参数与缺陷谱之间的严格关联。

二、关键技术方法

本研究采用NEP框架构建机器学习势，训练数据集由DFT计算生成，采用PBE形式的GGA交换关联泛函，考虑铁磁（FM）有序描述UN体系。数据集包含90个完美晶体和810个缺陷晶体构型，结合主动学习算法迭代优化。为描述级联碰撞中的短程相互作用，将ZBL势与NEP光滑连接，全局截断半径为2.0 ?。级联碰撞模拟采用LAMMPS代码，模拟盒为25×25×25个单胞共125,000个原子，边界区域施加Langevin热浴，中心级联区在NVE系综下演化。PKA选取盒中心U原子，动能设为5 keV或10 keV，沿[100]、[110]和[111]三个晶向入射，每种条件独立模拟五次取平均。辐照后采用Wigner–Seitz分析表征点缺陷，通过OVITO实现，团簇分析截断半径取4 ?。

三、研究结果

3.1 入射角的影响：在300 K和5 keV U-PKA条件下，沿三个典型晶向的缺陷演化趋势基本一致，峰值缺陷数均在约0.3 ps达到，约2 ps后趋于稳定，表明PKA方向对缺陷产额无显著影响。

3.2 PKA能量的影响：PKA能量从5 keV增至10 keV时，峰值缺陷数显著增加，达到峰值和稳态的时间略有延迟，残余缺陷数近乎翻倍，符合NRT模型的PKA能量依赖性。UN中阴离子缺陷数显著多于阳离子缺陷，归因于阴离子阈值位移能（TDE）较低。与UO₂相比，即使UN在10 keV更高PKA能量下，其残余缺陷仍显著少于UO₂在5 keV下的结果，差异主要来源于阴离子亚晶格的贡献。

3.3 温度的影响：在300 K至1473 K五个温度下，峰值缺陷数随温度升高而增加，残余缺陷数在室温最大并随温度升高逐渐减小，表明高温增强了原子的迁移能力，加速间隙原子-空位复合。UN在各温度下的残余缺陷数比UO₂低近一个数量级，但湮灭效率略低于UO₂，归因于UN更高的热导率导致级联区散热更快、热峰持续时间更短，缺陷复合窗口更窄。

3.4 杂质的影响：在10 keV U-PKA下，C/O杂质浓度（1、2、4 at.%）对峰值缺陷数几乎无影响，但残余缺陷数随杂质浓度增加呈略微下降趋势。含C体系的湮灭效率整体略高于完美晶胞，而含O体系变化不明显。C杂质的效果比O更显著，可能因为C占据间隙位时引起的局部晶格畸变更有利于缺陷复合，而O间隙的高迁移性也有助于缺陷湮灭。在所研究浓度范围内未观察到湮灭效率随浓度的明显变化趋势。

3.5 缺陷团簇分析：在纯UN体系中，残余空位和间隙原子均以孤立点缺陷为主，空位比间隙原子更易形成尺寸≥2的团簇。引入C/O杂质后，间隙大团簇无浓度依赖性；含C体系中孤立空位数随浓度增加而增加、空位团簇数略减；含O体系中孤立空位数先增后减。与UO₂相比，UN体系团簇尺寸和数量均显著更小，UO₂中最大团簇尺寸可超过6，而UN中不超过5。空位团簇缺陷比例在纯UN中约为48.4%，随C浓度增加单调下降至约33.1%（4 at.% C），随O浓度呈非单调变化；间隙团簇缺陷比例在所有条件下维持在约6–15%的低水平。UO₂中空位和间隙团簇比例分别约为74.4%和84.0%，远高于UN。

四、讨论与结论

本研究基于高保真NEP对UN中初级辐射损伤和位移级联进行了系统MD模拟。结果表明，三种典型入射方向下PKA诱导的峰值和残余缺陷数变化微小；阴离子缺陷数始终多于阳离子缺陷，UN体系总残余缺陷数显著小于UO₂。在所研究温度范围内，UN在高温下表现出更高的峰值缺陷数但更低的残余缺陷数，与高温下辐照诱导缺陷复合和湮灭增强一致。含C/O杂质UN的级联碰撞行为表明，峰值缺陷数几乎不受杂质浓度增加影响，残余缺陷数略低于纯净体系，湮灭效率和残余缺陷的浓度依赖性较弱；C杂质引入使湮灭效率整体提高并相应降低残余缺陷，O杂质引入对湮灭效率影响较小、残余缺陷仅略微降低。团簇分布分析表明，UN体系团簇尺寸和数量显著小于UO₂，所有体系中空位比间隙原子更易团簇化，但团簇分布随浓度的变化较弱且非单调，C和O的影响趋势不同。综上，本研究基于高保真NEP系统揭示了UN中位移级联的缺陷演化行为，UN的残余缺陷数显著低于UO₂，高温与缺陷复合增强一致，表明其具有优异的抗辐照性能；在中等C/O杂质浓度范围内，杂质对UN级联碰撞的影响有限，表明UN即使在中等杂质浓度下仍能保持稳定。本研究为UN作为未来先进核反应堆燃料的评估和多尺度建模提供了原子尺度基础。