核反应堆结构材料长期服役于高通量中子辐照环境，辐照产生的级联碰撞会在材料中引入大量空位与间隙原子等点缺陷，这些缺陷的积累导致辐照硬化、肿胀与脆化，是制约反应堆寿命的关键因素。体心立方铁（bcc-Fe）是压力容器钢与铁素体钢的基本组成，理解其位移级联过程对预测辐照损伤至关重要。本项目的科学问题是：高能初级离位原子（PKA）在bcc-Fe中产生的级联碰撞如何演化？Frenkel缺陷对随时间如何产生与复合？最终存活的缺陷数目随PKA能量如何变化？利用分子动力学模拟可从原子尺度揭示级联损伤机理。
分子动力学通过经验势函数描述原子间相互作用并求解运动方程。对bcc-Fe的级联模拟，通常采用Ackland-Mendelev或Mendelev势，这类势函数经过第一性原理与实验数据拟合，能够较准确地描述近平衡缺陷构型与离位阈值能。级联模拟中给予一个PKA原子特定方向的初始动能，体系在微正则（NVE）系综下演化数十皮秒，记录缺陷数目随时间的变化。缺陷数通常经历三个阶段的演化：碰撞阶段缺陷数迅速上升至峰值，复合阶段大量间隙原子与空位对相遇湮灭使缺陷数快速下降，最后进入缓慢退火的稳定阶段。存活缺陷的定量描述采用NRT模型与arc-dpa模型。
构建包含约50万个原子的bcc-Fe立方晶胞，采用周期性边界条件。选择PKA能量分别为5、10与20 keV三种工况，PKA初始方向选取高指数方向以避免沿低指数通道产生过长的聚焦碰撞序列。模拟前将体系在300 K下弛豫至平衡，随后赋予PKA初始动能开始级联模拟，时间步长根据原子最大速度自适应调整以保证能量守恒，总模拟时长约50皮秒。缺陷识别采用Wigner-Seitz胞方法统计偏离晶格位点的空位与间隙原子数，按时间序列输出Frenkel对数目。为考察能量依赖性，另计算1至100 keV范围内的存活缺陷并对比NRT模型预测。
图8的左侧面板（a）给出5、10与20 keV三种PKA能量下Frenkel对数目随时间的演化。三条曲线均呈现先急剧上升后快速下降再趋于平稳的特征：在皮秒量级的碰撞阶段，级联使缺陷数迅速达到峰值，20 keV工况峰值接近70对；随后因间隙原子与空位的大规模复合，缺陷数在数皮秒内显著回落；约10皮秒后进入稳定平台，存活缺陷约为峰值的一半。PKA能量越高，峰值与存活缺陷数越大，这与级联体积随能量增大而扩展的物理图像一致。时间演化曲线完整再现了”碰撞-复合-稳定”的级联损伤三阶段，也说明级联核心区的缺陷复合效率较高。
图8的右侧面板（b）给出存活Frenkel对数随PKA能量的变化，并与理论模型对比。蓝色虚线为经典NRT模型，预测存活缺陷数随能量线性增长；红色实线为arc-dpa模型，其考虑了级联内缺陷复合对线性关系的修正，预测的存活缺陷数明显低于NRT，且随能量增长逐渐趋于饱和趋势。符号为不同能量下的分子动力学统计结果，可以看出MD结果与arc-dpa模型吻合更好，而NRT模型在低能区尚可、在高能区明显高估。这一结论对于将微观级联损伤外推至反应堆实际中子能谱、建立辐照损伤的介观模型具有重要意义，说明直接使用NRT模型会高估缺陷产额与辐照硬化程度。
两面板结合，左面板揭示了级联缺陷的时间演化动力学，右面板给出了缺陷产额的能量依赖与模型校准，共同完成了bcc-Fe分子动力学辐照模拟的定量分析。
本项目用分子动力学模拟了bcc-Fe中5至20 keV PKA的位移级联，再现了缺陷快速产生、复合与稳定的三阶段演化，存活缺陷数与arc-dpa模型一致而明显低于NRT预测。案例图以Frenkel对时间演化与能量依赖曲线双面板呈现。后续可拓展：(1)统计大量随机级联方向与位置的平均损伤产额，降低统计涨落；(2)耦合离位阈值能谱与中子输运计算，实现反应堆条件下的损伤率评估；(3)结合介观速率理论模型，将单级联结果外推至长时间尺度缺陷积累与肿胀预测。
