核能具有燃料资源丰富、污染小、消耗小、长期成本低等优点,利用可控核反应(核聚变和核裂变)来获取能量被认为是最有希望解决人类能源问题的方法之一。然而在严苛的服役环境下,材料的性能及其使用寿命成为制约核能发展中的关键问题因素,决定着裂变堆的安全性和聚变能商业化成败。核材料在服役时,要承受高能粒子辐射以及核嬗变和裂变反应等,会产生大量的空位、间隙原子、气体裂变产物(Kr和Xe)、核嬗变产物(He和H)等点缺陷,这些点缺陷的迁移聚集,会形成位错环、空洞、气泡,最终导致材料的宏观性能劣化。虽然国内外已经对核材料的辐照损伤开展了大量研究,但材料辐照效应的微观机理仍有待澄清。碳化锆(ZrC)和碳化硅(3C-SiC)由于优异的高温性能、相对低的中子吸收率等优点,可作先进核裂变反应堆核燃料包覆材料,另外,3C-SiC还是聚变堆结构材料的候选材料之一。氧化物弥散强化(ODS)钢和可铸造纳米结构合金(CNAs)是新型低活化钢,被认为是较有前景的结构材料。ODS钢的微观特征结构是含有大量弥散分布的纳米尺寸氧化析出物,而CNAs含有高密度的碳化析出物,析出物对钢的抗辐照损伤能力有着非常重要的影响,其边界可捕获缺陷、促进缺陷复合,极大地阻止钢中的体积膨胀和辐照蠕变。因此,本论文采用第一性原理模拟方法对这几种典型核材料中的缺陷(空位、自间隙原子、反位缺陷、稀有气体原子间隙、H原子间隙)行为和析出物对气泡形成的影响进行了深入的对比模拟研究,具体内容如下:首先对比研究了 ZrC、3C-SiC和TaC中空位和自间隙缺陷。我们发现在ZrC中C原子比Zr更容易脱离晶格形成空位、间隙位或Frenkel对,成为ZrC中主要的缺陷,反位缺陷则不易形成;与ZrC显著不同,在3C-SiC中,C空位和反位缺陷是主要的点缺陷;而在TaC中,形成Ta间隙和C替换Ta原子消耗的能量远高于其他点缺陷。其次,我们研究了多种典型核材料中稀有气体间隙缺陷对晶格的影响。我们研究指出惰性气体间隙原子的形成能和其引起的晶格畸变随原子半径增大而增大;惰性气体间隙原子之间的结合能受间隙位结构、周围原子对它们的排斥程度影响;随着惰性气体原子个数的增加,他们形成的间隙团聚造成更大的晶格畸变,能诱导新的空位的产生,而新空位又会捕获更多的惰性气体原子。我们着重研究了典型核材料ODS钢和CNAs中H/He间隙原子的热力学和动力学行为并与α-Fe对比。对比ODS钢中不同氧化析出物中He/H间隙的行为,我们发现He间隙在氧化物中的形成能比α-Fe晶体中低,而H间隙的形成能规律与之相反;He/H间隙在氧化物中的扩散势垒都比在α-Fe晶体中高;H原子在氧化析出物中形成H2对间隙,而He双原子倾向分开占据两个不同间隙位。与ODS钢不同,CNAs中的TaC析出物中H/He的迁移势垒和形成能都比α-Fe晶体中;TaC中He原子更容易成对聚集,反而H原子更愿意分开,去占据不同的间隙位。材料组成和结构显著影响He原子的聚集成泡,我们发现在ODS钢超胞模型中,He原子在Y2O3团簇中最为稳定,其次是α-Fe/Y2O3界面处,最后是α-Fe基体中,He原子在ODS钢中优先在氧化析出物中形成弥散的小团簇,而不是在α-Fe基体形成更大的He泡;在CNAs超胞模型中,He原子在α-Fe/TaC界面处中最为稳定,其次是TaC团簇,最后是α-Fe基体中,He原子在{100}<110>Fe//{100}<100>TaC界面的扩散势垒低于α-Fe和TaC中的扩散势垒,α-Fe/TaC界面可作为捕获He原子的陷阱。本论文通过系统地对比ZrC、3C-SiC、ODS钢、CNAs中典型空位和间隙原子的形成能、结合能、扩散势垒等参数,并研究了氧化析出物、碳化析出物以及析出物与基体的界面对点缺陷的聚集、扩散的影响,为理解辐照损伤过程中缺陷的行为以及析出物和界面所起的作用提供了深入对比的微观物理图像,也为下一步使用更大尺度的模拟方法研究材料中气泡的形核与演化机制提供了有用的输入参数。