【摘要】：聚變裝置中面向等離子體材料處在嚴苛的工作條件下,承受著高溫、高熱負荷、14 MeV的高能中子輻照和逃逸離子轟擊等。鎢(W)具有高熔點、高導熱率、高密度、低熱膨脹系數(shù)、低蒸汽壓、低氚滯留、低濺射產(chǎn)額和高自濺射閾值等優(yōu)異性能,被認為是核聚變堆面向等離子體部位的最佳候選材料,將在ITER的偏濾器處使用。實驗研究發(fā)現(xiàn),在低于濺射閾值的低能氦(He)離子輻照下,W近表層內形成大量氦泡,并形成絨毛狀納米絲狀結構(fuzz)或孔洞等表面損傷。這些表面損傷嚴重危害到材料的使用性能和服役壽命,而且會對氚自持、等離子體的性能和穩(wěn)定性造成傷害。在He輻照下fuzz能持續(xù)生長,厚度可達幾百納米甚至微米量級。已有的研究表明fuzz生長的動力來源于He,但是低能He(100 eV)在W中的穿透能力僅十幾納米。He如何穿過fuzz層到達W表面,是fuzz形成過程中的關鍵問題。同時,fuzz的存在會導致濺射產(chǎn)額增加。濺射產(chǎn)生的W原子成為雜質,污染托卡馬克裝置中的等離子體芯部,對等離子體的穩(wěn)態(tài)運行產(chǎn)生影響。針對這些問題,本文建立了不同特征的fuzz模型,使用IM3D代碼,研究了離子在fuzz模型中的輸運過程。IM3D是基于二體碰撞近似(BCA)方法的蒙特卡洛代碼,可高效處理粒子在納米三維復雜結構中的輸運過程。本文主要研究了He在W表面fuzz絨毛層中的穿透行為,以及氬(Ar)離子輻照下的fuzz表面的濺射特性。結果顯示,fuzz模型中的微元尺寸、取向、密度對He的穿透特性都有著顯著影響。Fuzz絨毛層中連續(xù)的開放通道是影響He穿透能力的主要因素。He在具有不同宏觀特征的fuzz中的穿透深度在153 nm~338 nm之間,證明了He穿過fuzz到達W表面的可能。本文還計算了100~2000 eV能量范圍內Ar轟擊下fuzz絨毛層表面的濺射率。結果表明fuzz絨毛層表面的濺射率顯著低于相同輻照條件下光滑鎢表面的濺射率;隨著fuzz孔隙度的增加,濺射率不斷下降;隨著離子入射能量增加,濺射率緩慢上升。絨毛納米絲層fuzz的疏松多孔結構是影響濺射率的主要因素。這些模擬結果有助于認識fuzz結構的穿透和濺射特性,以及闡釋He輻照誘導W絨毛層生長的機理。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TL62
【圖文】：

科 技 大 學 碩 士 學 位 展顯著，但仍存在很多難題。除了等離子難題。等離子體與材料之間的相互作用對的影響。反應堆中材料面臨苛刻的工作環(huán)14 MeV 高能中子輻照，逃逸離子的轟擊題，尋找合適的面向等離子體材料是成敗

著巨大的影響。反應堆中材料面臨苛刻的工作環(huán)境，要負荷，14 MeV 高能中子輻照，逃逸離子的轟擊和應力材料問題，尋找合適的面向等離子體材料是成敗的關鍵圖 1-1 托卡馬克（Tokamak）裝置

9(c)圖 1-3 鎢的表面損傷絨毛納米絲層 fuzz 形貌信息。（a）來自[25]，（b）來自[23]，（c）來自[34]。已有研究表明，近表面層氦泡以及表面損傷均可嚴重改變氘/氚的滯留率[27]，危害到氚自持，并帶來材料核安全性的隱患。絨毛層結構使材料表面的光反射率[28]和熱導率[23]降低幾個數(shù)量級，增加鎢熔化的危險。而且，絨毛層結構可造成單級電

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1 宋五鑫;基于BCA方法的氦轟擊鎢絨毛層的研究[D];華中科技大學;2019年

本文編號：2803449