(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210727774.9 (22)申请日 2022.06.24 (71)申请人 清华大学 地址 100084 北京市海淀区清华园1号 (72)发明人 谢锋　周子凌　文艳伟　王彧　 郭静霓　曹建主　童节娟　董玉杰　 张作义　 (74)专利代理 机构 北京天悦专利代理事务所 (普通合伙) 11311 专利代理师 田明　任晓航 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 17/11(2006.01) (54)发明名称 一种合金中氚有效扩散系数的串联模型计 算方法 (57)摘要 本发明涉及一种合金中氚有效扩散系数的 串联模型计算方法， 通过确定氚在合金体系中的 稳定位点， 对 各稳定位点之间的扩散势垒进行计 算， 进而得到局部扩散系数； 结合氚在掺杂原子 周围的扩散势垒 以及氚在金属基体材料中的扩 散势垒， 确定掺杂原子在合金中对 氚的影响距离 ωd， 综合考虑掺杂原子的个数及体积占比， 计算 掺杂原子影 响范围的等效厚度， 采用串联模型计 算得到氚在合金中的有效扩散系数。 采用本发明 公开的一种合金中氚有效扩散系数的串联模型 计算方法， 能够综合考虑掺杂原子对 氚在金属基 体材料中扩散的影 响， 提高了合金中氚有效扩散 系数的计算精度， 为裂变堆和聚变堆中氚源项研 究、 氚的存储与控制、 阻氚材料的研发设计等提 供了重要基础。 权利要求书2页 说明书11页 附图3页 CN 115238467 A 2022.10.25 CN 115238467 A 1.一种合金中氚有效扩散系数的串联模型计算方法， 所述方法包括以下步骤： S1、 建立合金微观晶格模型， 基于第一性原理计算氚在金属基体材料中的局部扩散系 数和氚在掺杂原子周围的局部扩散系数； S2、 根据氚在掺杂原子周围近邻位点的扩散势垒以及氚在金属基体材料中的扩散势 垒， 确定掺杂原子在合金中对氚的影响距离 ωd； S3、 根据掺杂原 子在合金中对氚的影响距 离ωd， 综合考虑掺杂原 子的个数及体积占比， 计算掺杂原子影响范围的等效厚度， 结合氚在金属基体材料中的局部扩散系数和氚在掺杂 原子周围的局部扩散系数， 利用串联模型计算氚在合金中的有效扩散系数。 2.根据权利要求1所述的一种合金中氚有效扩散系数的串联模型计算方法， 其特征在 于， 步骤S1包括以下子步骤： S11、 根据合金中各元素的个数比例， 建立相应的合金构型组， 将所述合金构型组中相 对能量最低的一个构型确定为 合金模型； S12、 基于所述合金模型对称性确定氚在体系中的稳定位点， 并计算氚在各位点中的结 合能， 进而确定氚在体系中的最稳定位 点； S13、 通过过渡态 理论计算氚在合金中最稳定位点之间的扩散路径和扩散势垒， 以及起 始位点和过渡态位 点的振动频率； S14、 基于第一性原理计算氚在金属基体材料的局部扩散系数和氚在掺杂原子周围的 局部扩散系数。 3.根据权利要求2所述的一种合金中氚有效扩散系数的串联模型计算方法， 其特征在 于： 步骤S1中通过以下公式计算得到不同温度下的局部扩散系数： 其中， D为扩散系数， n为间隙原子扩散最邻近位点的数目， β 为跳跃概率， d为扩散方向 上的投影长度， kB为玻尔兹曼常数， TK为温度， h为普朗克常数， ΔEel为扩散势垒， ΔEZPE为过 渡态位点和起始位 点的零点振动能之差， 零 点振动能EZPE的定义如下： 其中， vi为原子的振动频率。 4.根据权利要求1所述的一种合金中氚有效扩散系数的串联模型计算方法， 其特征在 于， 步骤S2包括以下子步骤： S21、 将氚在掺杂原子第i近邻位点到第i+1近邻位点扩散势垒 与氚在金属基体材 料中的扩散势垒 做差值， 并判断二 者之差是否小于预设差值阈值； S22、 当二者之差大于或等于预设差值 阈值时， 则令i＝i+1， 寻找下一个近邻位点， 继续 判断下一个近邻位点对应的氚在掺杂原子周围的扩散势垒 与氚在金属基体材料中的 扩散势垒 差值是否小于预设差值阈值； S23、 当二者之差小于预设差值 阈值时， 则将第i近邻位点与第i+1近邻位点连线的中点 记为p， 将p与掺杂原子之间距离在x， y， z轴上的投影长度中的最大长度记为l， 定义掺杂原权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115238467 A 2子在合金中对氚的影响距离 ωd为l的两倍， 即ωd＝2l。 5.根据权利要求4所述的一种合金中氚有效扩散系数的串联模型计算方法， 其特征在 于： 步骤S21中所述预设差值阈值 为氚在金属基 体材料中扩散势垒 的F％。 6.根据权利要求1所述的一种合金中氚有效扩散系数的串联模型计算方法， 其特征在 于， 步骤S3中根据以下公式计算 掺杂原子影响范围的等效厚度： 其中， 为第i种掺杂原子影响范围的等效厚度， ni为第i种掺杂原子的总原子数， A为 正方体超晶胞的面积， 为第i种掺杂原子单个原子影响范围的有效体积， 为第i种掺杂原子在合(8金)中对氚的影响距离 。 7.根据权利要求6所述的一种合金中氚有效扩散系数的串联模型计算方法， 其特征在 于， 步骤S3中根据以下公式进行 氚有效扩散系数计算： 其中， Deff为氚在合金中的有效扩散系数， L为正方体超晶胞的边长， R为等效扩散阻力， Dbulk为氚在基体材料中的局部扩散系数， 为氚在第i种掺 杂原子周围的局部扩散系数， N 为合金中掺杂原子种类的总数。 8.根据权利要求7所述的一种合金中氚有效扩散系数的串联模型计算方法， 其特征在 于， 步骤S3还 包括： 利用公式(10)计算得到不同温度下有效扩散系数的数值， 而后根据公式D＝D0exp(‑Q/ kBTK)， 拟合得到扩散系数前置因子D0以及扩散激活能Q， 获得有效扩散系数Deff的一般表达 式。 9.根据权利要求1所述的一种合金中氚有效扩散系数的串联模型计算方法， 其特征在 于： 步骤S3中将掺杂原子对氚的影响距离等效为以掺杂原子为中心的边长为ωd的正方体 以进行氚有效扩散系数的串联模型计算。 10.根据权利要求2所述的一种合金中氚有 效扩散系数的串联模型计算方法， 其特征在 于： 步骤S11中根据合金中各元素个数比例以及 超晶胞模 型中原子的总数， 确定超晶胞模型 中各原子的数量， 以确保所述超晶胞模型中各元素个数比例与合金中各元素个数比例相 当,采用随机取代方式建立不同的合金构型， 计算不同合金构型体系的能量， 将能量最低的 合金构型作为 合金模型。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115238467 A 3