【摘要】：磁約束核聚變是目前受控?zé)岷司圩冏羁赡軐崿F(xiàn)的方法,是未來解決人類能源問題的最重要的途徑。聚變領(lǐng)域材料研究的一個重要任務(wù),就是尋找和研究具有優(yōu)良性能的面向等離子體材料(Plasma-facing materials,PFMs),包括第一壁材料和偏濾器材料,以及加工高性能的面向等離子體部件。金屬鎢(W)因其優(yōu)異性能,被認(rèn)為是最有可能全面應(yīng)用在未來聚變堆中的面對等離子體材料。鎢材料作為聚變裝置中面向等離子體材料(PFMs),要經(jīng)受高熱沖擊/高劑量的中子和氘、氦等離子體復(fù)炸等惡劣環(huán)境的考驗。在高熱流作用下表面形成的熱疲勞損傷,以及高劑量輻照下產(chǎn)生的輻照損傷,影響等離子的穩(wěn)定性及裝置的安全性,甚至導(dǎo)致面向等離子體材料失效。因此,研究鎢材料在熱負(fù)荷和等離子體輻照的損傷行為,具有非常重要的科學(xué)意義。本文改進(jìn)了熱疲勞裂紋損傷的定量分析方法,為鎢面向等離子體材料的壽命評估提供依據(jù)。采用電子束設(shè)備和直線等離子體發(fā)生裝置對鎢材料進(jìn)行熱疲勞和氘(D)等離子體輻照實驗,研究鎢PFM的熱疲勞D輻照性能。此外,提出了疊片式結(jié)構(gòu)和表面“溢氣通道”兩個新的PFM改進(jìn)思路,并進(jìn)行實驗驗證其對熱疲勞和輻照性能的改善作用。本文首先在現(xiàn)有通用的熱疲勞分級評價法(半定量評價)的基礎(chǔ)上,改進(jìn)了熱疲勞損傷定量分析方法,提出了裂紋面密度、線密度和平均寬度等定量評價參量。利用計算機(jī)軟件對掃描電子顯微鏡照片進(jìn)行處理,標(biāo)記裂紋區(qū)域并統(tǒng)計可定量計算出表面裂紋面密度、線密度、平均寬度等參數(shù),從而在較大程度上提高了熱疲勞損傷評價的客觀性和定量性。利用電子束設(shè)備對平行于軋制方向(TD)/垂直于軋制方向(RD)的鎢樣品在功率密度36 MW/m~2下循環(huán)500、1000、1500和2000次,并對其表面裂紋進(jìn)行定量分析。結(jié)果表明:隨著循環(huán)次數(shù)的增大,材料表面產(chǎn)生的裂紋會形成惡性循環(huán),網(wǎng)狀裂紋有聯(lián)通擴(kuò)展成超大裂紋的現(xiàn)象。由于有較高的晶界密度,垂直軋制方向的RD鎢樣品表現(xiàn)出更好的抗熱疲勞性能。不同軋制方向的樣品,裂紋優(yōu)先擴(kuò)展的方向不同。RD鎢樣品裂紋優(yōu)先在長度上擴(kuò)展,而TD鎢樣品優(yōu)先在寬度上擴(kuò)展。提出并利用不同厚度的銅箔構(gòu)造出一種疊片式結(jié)構(gòu)與銅塊體制成組合樣品,同時在電子束功率密度28MW/m~2下進(jìn)行掃描式熱疲勞循環(huán)3000次。實驗結(jié)果表明:疊片結(jié)構(gòu)的表面處于單軸應(yīng)力狀態(tài),熱疲勞后產(chǎn)生的裂紋較少較細(xì),且多垂直于箔片的方向。經(jīng)過定量分析表面裂紋損傷程度,發(fā)現(xiàn)銅箔構(gòu)成的疊片表面裂紋的相對面密度、主裂紋線密度和寬度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于銅塊體。銅箔的厚度越小,疊片式的表面結(jié)構(gòu)更細(xì)密,其抗熱疲勞開裂性能越強(qiáng)。疊片結(jié)構(gòu)表面在一定程度上可以抑制裂紋的萌生和擴(kuò)展,抗熱疲勞性能更好。利用直線等離子體發(fā)生裝置,在氘(D)等離子體能量50 eV,束流密度為~1×10 ~222 ion/m ~2 s下,分別對TD/RD鎢進(jìn)行三種輻照劑量的D等離子體輻照。實驗結(jié)果表明:D輻照下鎢表面形成的氘泡以圓形鼓泡為主。隨著劑量的增加,產(chǎn)生的氘泡大小和密度逐漸增大,氘泡多呈現(xiàn)多層結(jié)構(gòu),產(chǎn)生扁平形氣泡的概率明顯增大,而起泡對于晶粒取向的依賴性逐漸變?nèi)�。平行軋制方向的RD鎢表現(xiàn)出更好的抗輻照起泡性能,在低/中/高輻照劑量下起泡的密度均遠(yuǎn)小于TD鎢。低輻照下RD鎢表面的氘泡較小,但其氣泡的長大速度較大,導(dǎo)致在高輻照下RD鎢表面的氣泡尺寸逐漸接近并超過TD鎢樣品。此外,利用FIB刻槽加工RD鎢,TD鎢和再結(jié)晶鎢鎢材料的表面形成表面“溢氣通道”形貌,并進(jìn)行D等離子體輻照實驗。結(jié)果表明:三種不同的鎢樣品經(jīng)過輻照后刻槽區(qū)域產(chǎn)生的氣泡密度明顯低于其他區(qū)域,刻槽方案能形成表面“溢氣通道”,在一定程度上可以抑制氣體在表面滯留,減少表面起泡現(xiàn)象,提高面向等離子體的抗輻照性能。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TL627
【圖文】：

圖 1-1 國際熱核聚變堆 ITER 裝置結(jié)構(gòu)示意圖[11].1-1 Schematic of the International Thermonuclear Experimental React磁約束控聚變能的大課題中，除了高參數(shù)穩(wěn)態(tài)等離子體物理題，還面臨另一個瓶頸問題：未來反應(yīng)堆關(guān)鍵材料問題。其是用于第一壁，偏濾器等處的關(guān)鍵材料。在托卡馬克裝置中體發(fā)生碰撞，雖然時間很短暫，但碰撞過程中會發(fā)生很多物的高熱負(fù)荷對壁材料的熱疲勞損傷，等離子體濺射刻蝕和雜面氣體滯留起泡等[14-16]，影響第一壁和偏濾器的穩(wěn)定服役。向等離子體材料在等離子體相互作用下的損傷行為，對于關(guān)為重要[17,18]。等離子體材料裝置中面向等離子體材料直接與邊緣等離子體接觸，會受到高能粒子，電磁輻射等，其典型的熱負(fù)荷條件具體參數(shù)如表等離子體材料在惡劣的服役環(huán)境下產(chǎn)生嚴(yán)重的表面改變，材

圖 1-3 鎢材料在輻照過程中的四種損傷類型[43-45]Fig.1-3 The four kinds of tungsten destructive types in irradiation.2.1 滯留及起泡 1000K 左右的高溫條件下，聚變裝置中經(jīng)過加速的高能 D 和 He 滲入面向等離子體材料表面層以下，與材料內(nèi)部發(fā)生相互作用，產(chǎn)生損傷。研究表明，大多數(shù)這種氣泡產(chǎn)生的根本原因是，氣體被材料中獲而形成的[46]。隨著輻照時間的增加，材料表層內(nèi)氣體濃度逐漸積累轉(zhuǎn)移和匯聚，樣品表面的氣體濃度逐漸達(dá)到飽和，H/He 氣體將以擴(kuò)材料內(nèi)部運(yùn)輸，在材料表面形成大小和形狀都各異的凸起狀氣泡，一小都在納米級別。材料表面產(chǎn)生的氣泡損傷大多為半球狀輪廓、底部腔的結(jié)構(gòu)形態(tài)。這類氣泡的形成首先需要有高濃度的等離子體，其形于材料中的雜質(zhì)、空位、晶界等缺陷處[47]，隨著 H/He 滯留量的增加地融合長大，使材料表面拱起變形而形成氣泡。另外，輻照后的氣泡等離子體材料的上表面與基底脫離，導(dǎo)致材料的熱導(dǎo)率大大下降。在

圖 2-1 W 樣品的軋制方向示意圖Fig.2-1 The rolling direction of tungsten samp以便后續(xù)研究，鎢樣品需經(jīng)過砂紙機(jī)械溶液進(jìn)行電解拋光。氫氧化鈉電解拋光正極通過導(dǎo)線與鎢樣品連接，電源的負(fù)，通電后發(fā)生電解反應(yīng)陽極失去電子，中所用的電壓為 11V，最終控制鎢樣

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2769871