人口膨胀和工业化导致能源需求的不断增加,核能将变成大规模能量产生的越来越优先的选项。然而,在通过裂变和聚变反应的能量产生过程中,核反应堆内的结构材料受到中子辐照导致辐照损伤。辐照损伤造成材料的微观结构变化,从而降低了材料的性能。因此,为了选择和开发高性能耐辐照材料,需要理解辐照损伤对材料微观结构和性能的影响。铁素体钢是现存裂变堆和未来新型裂变堆结构材料的普遍选择之一,同时低活化铁素体/马氏体（RAFM）钢是未来聚变堆系统中第一壁和包层结构材料的候选材料,而这些钢的模型金属和基体材料主要是bcc（体心立方）或α-相的铁,同时辐照损伤对α-铁的微观结构和性质的影响仍然没有完全理解,因此,我们选择α-铁作为辐照损伤的研究对象。辐照损伤是在时间和空间尺度上的多尺度现象,因此辐照损伤的模拟是一个多尺度问题,它提供了从辐照损伤产生的原子尺度到工程相关的大范围空间和时间尺度上模拟材料辐照损伤的分等级方法。因此,本论文采用分子动力学方法研究α-铁中辐照缺陷的产生,采用动力学Monte Carlo方法研究辐照缺陷演化和累积,从而初步建立了 α-铁的辐照损伤的多尺度模拟方法。移位级联得到的初级损伤态是损伤累积和演化模型,例如动力学Monte Carlo方法的输入数据,所以它对材料的微观结构演化有显著的影响,因此移位级联产生的点缺陷对于材料辐照损伤研究是非常重要的。然而,分子动力学模拟不显式追踪晶体缺陷,晶体缺陷和无缺陷的晶体区域必须从后处理步中产生的粒子-位置数据得到。材料中移位级联产生的缺陷具有复杂的性质,然而应该怎样分析点缺陷的问题仍然没有明确的答案。本论文首先修正了 0.3a0（晶格常数的30%）的等价球方法和1/2NN（最近邻距离的一半）的等价球方法,然后把它们和Wigner-Seitz（WS）晶胞方法一起分析了α-铁中移位级联的分子动力学数据,发现不同的缺陷识别方法对移位级联产生的缺陷数有显著的影响。为了分析α-铁中缺陷的位形,可以采用修正的0.3a0的等价球方法,因为它可以给出各种间隙原子位形,但是它不能给出合理的Frenkel对数。Wigner-Seitz（WS）晶胞方法确保对缺陷检验全部区域,并且不涉及任何任意截断作为输入参数,所以WS方法给出合理的Frenkel对数,因此推荐Wigner-Seitz晶胞方法得到的初级损伤态用作α-铁中损伤累积和演化模型的输入数据,从而正确预测辐照下材料微观结构的演化。对于缺陷团簇分析,截断半径的选择受到相同缺陷之间结合能的影响,建议对间隙原子使用第三近邻判据,而对空位使用第二近邻判据。分子动力学模拟中不确定度的主要来源是原子相互作用势。为了提高移位级联的分子动力学模拟的置信度,必须选择可靠的原子相互作用势,因为原子相互作用势确定了模拟系统的主要性质。Mendelev型势和“磁性”势是纯α-铁的两类先进势。本论文在级联模拟之前修正了“磁性”势的排斥势部分,使它可以用于移位级联模拟。然后基于修正的“磁性”势（MP00-GTLQ、MP30-GTLQ 和 MP33-GTLQ 势）和 Mendelev 型势（AMS04势）,使用分子动力学方法研究了原子相互作用势对α-铁中移位级联的影响,发现较大的级联密度促进了缺陷的复合,缺陷产生效率与移位阈能无关;同时发现移位级联结果与原子相互作用势预测的间隙原子的性质密切相关。因为AMS04势精确重现了 ab initio计算描述的自间隙原子的行为,所以认为AMS04势是用于模拟α-铁中移位级联的最可靠的势。聚变堆的第一壁和包层结构材料受到高注量高能中子的辐照而产生辐照损伤;同时,由于（n,α）嬗变反应或者从等离子体逃逸出的α粒子的直接注入,在聚变堆的第一壁和包层结构材料中产生大量的氦原子,而氦原子和辐照缺陷的相互作用对α-铁的微观结构和性能有显著的影响。直接注入或嬗变反应产生的氦原子最初在间隙位置并随机分布在铁基体中,因此,理解材料中间隙氦原子与移位级联的相互作用是聚变堆材料研发中的最重要问题之一。本论文采用最近发展的Fe-He势,使用分子动力学研究了级联能量、氦原子浓度和辐照温度对Fe-He系统中间隙氦原子和移位级联的相互作用的影响,发现在移位峰时Fe-0.1at.%He系统中间隙氦原子的出现没有产生更多的缺陷,而在级联结束时Fe-0.1at.%He系统中间隙氦原子在低能时促进了缺陷的复合,在高能时抑制了缺陷的复合。同时在Fe-0.1at.%He系统中,间隙氦原子在高能时促进SIA（自间隙原子）成团,在低能时抑制了 SIA成团;而间隙氦原子始终抑制了空位成团。氦原子浓度对移位峰时缺陷数没有显著的影响,级联结束时缺陷数随着氦原子浓度的增加而增加,但是间隙氦原子在较小氦原子浓度时促进了缺陷的复合,在较大氦原子浓度时抑制了缺陷的复合。此外,较大氦原子浓度在级联结束时产生的较大氦原子团簇帮助缺陷的产生;同时较大氦原子浓度时,间隙氦原子促进了 SIAs和空位的成团。较高的辐照温度促进了移位峰时缺陷的产生和级联结束时缺陷的复合,而辐照温度对缺陷和氦原子的成团的影响没有明显的趋势。基于分子动力学方法得到的间隙氦原子和移位级联相互作用的结果,可以用作损伤累积和演化模型的输入数据,从而预测聚变环境下氦原子对α-铁微观结构的影响。反应堆中结构材料的性质和性能受到辐照缺陷微观结构的影响,这些缺陷的演化和累积导致各种现象,例如辐照肿胀,硬化和脆化,以及辐照蠕变。因此,需要缺陷形成和随后演化和累积的知识以理解和预测高能粒子辐照对材料微观结构和性质的影响。初级损伤态的详细特征对辐照损伤长期演化的影响是非常重要的。本论文基于不同缺陷识别方法和不同原子相互作用势得到的初级损伤态,使用动力学Monte Carlo方法研究了α-铁中级联结构对损伤累积的影响,同时研究了不同辐照剂量率对损伤累积的影响。发现不同缺陷识别方法得到的级联结构在统计不确定度内对损伤累积没有影响,因为这是同一个级联过程;但是不同原子相互作用势得到的级联结构明显影响损伤累积,因为不同势函数描述不同的原子相互作用模型,从而得到不同的移位级联。辐照剂量率对损伤累积有显著的影响,发现在损伤累积的KMC剂量和NRT剂量的比率达到最大值之前,比率和剂量率无关;在KMC剂量和NRT剂量的比率达到最大值之后,剂量率越大,比率越大。基于级联结构和辐照剂量率对损伤累积影响的评估,可以用动力学Monte Carlo方法研究辐照损伤的长期演化和累积,从而正确预测辐照下材料的微观结构。