目前在设计或实验阶段的新型反应堆有一个共同的特点:反应堆结构材料服役环境中,中子的能量远高于传统商用热中子反应堆。鉴于目前反应堆建造和设计中,结构材料以合金,主要是铁基合金(钢)为主,在高能中子辐照条件下,中子通过与铁及合金元素的(n,α)嬗变反应,会在结构钢中引入大量的氦原子。由于氦在钢中的溶解度极低,而且迁移势垒也很低,很容易通过间隙位迁移。在迁移过程中容易与中子辐照产生的空位结合,形成氦空位团簇,小的氦空位团簇在高温条件下可以迁移聚集成大的氦泡,大的氦空位团簇倾向于通过间隙原子踢出机制成长。实际的结构钢中都存在一些本征缺陷(位错、晶界、沉淀等),氦泡容易在材料中额外空间大的缺陷处成核生长。结构钢中引入的氦泡会很大程度上降低结构钢的机械性能,这种由氦引起的结构钢机械性能的改变称之为结构钢的辐照氦效应。大量的实验已经证明了氦泡会引起结构钢的硬化,脆化以及肿胀效应,但是目前对这些现象的微观尺度机制还不是十分清晰。很多微观尺度的现象无法通过实验手段进行研究,需要借助原子尺度的模拟技术来进行研究。本论文使用分子动力学,分子静力学等原子尺度模拟技术分别从以下几个方面研究了与辐照氦效应相关的微观尺度机制。(1)研究了氦泡成核和生长中的氦泡平衡问题,阐明了两种不同的平衡氦泡形成机制,回答了关于平衡氦泡的氦/空位比率的争论,为进一步研究氦泡诱导结构钢硬化和脆化做了铺垫,研究结果表明氦泡在成核和生长过程中存在两种不同定义的平衡状态:一种是基于能量最低的平衡状态;一种是基于机械平衡的平衡状态。氦泡在成核和生长中,当氦泡中氦/空位比率达到0.38-0.55时,氦泡率先达到机械平衡状态,这个比率随着氦泡的长大会有一定程度上升,然后当氦泡中氦/空位比率达到1.0-2.6(随氦泡尺寸增加而增加)之间时,氦泡达到能量最低的平衡状态。此外,当氦泡中氦/空位比率达到3.4-5.0(随氦泡尺寸增加而减少)之间时,氦泡会通过间隙型位错环踢出机制获得生长能力的大幅提升。(2)研究了氦泡诱导结构钢硬化的微观机理,通过研究1/2<111>{110}型刃位错与不同氦/空位比率的氦泡的相互作用,分析了氦泡诱导结构钢屈服强度上升的微观机制,探究了通过控制氦泡中氦/空位比率改善结构钢硬化程度的可行性,研究结果表明氦泡诱导结构钢硬化的微观机制是氦泡阻碍位错滑移,提高位错滑移的临界剪切应力,进而提高材料的屈服强度。1/2<111>{100}型刃位错的临界剪切应力随着氦泡中氦/空位比率的变化而存在显著变化,在氦/空位比率为2.0时,临界剪切应力值达到最低,继而在更高氦/空位比率条件下大幅提高,这主要是由氦泡与位错作用机制的改变所引起,位错在与高氦/空位比率的氦泡发生作用时,未与氦泡直接作用,而是与氦泡周围踢出的位错环相互作用,进一步提高了位错滑移的临界剪切应力。(3)最后研究了氦泡诱导晶界脆化的机制,通过一系列对称倾斜晶界的拉伸测试,根据应力-应变响应的变化,研究了不同类型晶界的变形机制。通过在晶界中引入不同大小和氦/空位比率的氦泡,研究了晶界在拉伸变形中与氦泡的相互作用,揭示了氦泡诱导晶界强度和延伸率降低的原子尺度机制,研究结果表明:所研究的晶界被分为两类,其一是应力-应变曲线中存在常应力段的晶界,对应的微观机制是拉伸过程中晶界的滑移,该类晶界的错配角一般小于90°,包括所有具有<100>倾斜轴的晶界和具有<110>倾斜轴的晶界中错配角小于90°的晶界;其二是应力-应变曲线在晶界断裂前无常应力段存在的晶界,该类晶界的错配角一般大于90°,包括<110>倾斜对称晶界中错配角大于90°的晶界。Bain path应变相变是诱导晶界滑移的微观尺度机制,晶界附近的原子通过Bain path相变由BCC结构转化为了 FCC结构,进而在整个晶体中形成了由三个晶粒组成的晶界,随着拉伸应变的增加,Bainpath相变的区域变大,引起晶界的滑移。氦泡诱导晶界延伸率降低的根本原因是阻碍了 Bain path相变机制,抑制了晶界的滑移。晶界的强度和延伸率随着氦泡尺寸的增加而降低,同样随着氦泡中氦/空位比率的增加而降低,但是氦/空位比率的影响要小于氦泡尺寸的影响。本论文的所有研究结论有望为如何有效地控制结构钢的硬化和脆化提供有价值的参考。