隨著國際熱核聚變實驗堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)項目的啟動,聚變能的開發(fā)利用已成為國際上的一大趨勢,而鎢基材料由于具備高熔點、低氫同位素溶解度以及低濺射率等優(yōu)點被選為聚變堆第一壁部件偏濾器的候選材料。然而,在聚變堆運行過程中,第一壁材料必然會遭受長時間載能氫、氦離子的輻照,對材料的性能及使用壽命產(chǎn)生不利影響,例如材料面臨的氫脆、氦脆等問題。因此,研究氫、氦離子在鎢基材料中的行為,對聚變堆面向等離子體材料的研發(fā)是至關(guān)重要的。為研究氫、氦氣泡的形成及其演化行為,本研究主要采用離子注入的方式將氫、氦離子注入到金屬鎢中,利用透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope,TEM)和掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)等觀測手段對注入后的微觀形貌變化進(jìn)行表征,研究了鎢中氣泡的行為與注入劑量、束流強度、離子能量和退火溫度的關(guān)系;同時,為了得到氦離子注入后所形成微觀結(jié)構(gòu)的內(nèi)部信息,本實驗對輻照后的樣品進(jìn)行了聚焦離子束(Focused Ion Beam,FIB)切割;最后,討論了電解拋光與機械拋光對于樣品表面的損傷情況。通過這一系列的工作得到以下幾條結(jié)論:(1)室溫下,能量為18 keV的H_3~+注入到鎢的薄膜樣品中,當(dāng)注入劑量達(dá)到1.5×1018 ions/cm~2時出現(xiàn)了實驗上可觀測到的氫氣泡,直徑約1.0 nm,并隨著注入劑量的增加而長大;(2)在注入劑量一定的情況下,鎢中氫氣泡的尺寸隨著輻照時束流密度的升高而增大,最終趨于穩(wěn)定;(3)真空快速退火結(jié)果表明:退火溫度為400℃時,氣泡大小并沒有明顯變化,當(dāng)退火溫度升高到600℃時,氣泡開始生長,而且隨著溫度的持續(xù)升高尺寸變化更加顯著。(4)初步實驗表明:5 keV能量的氫離子注入時,所產(chǎn)生氣泡的平均直徑較小,而隨著能量的升高,氣泡尺寸有增大趨勢,而當(dāng)氫離子能量超過7.5 keV后,氣泡大小幾乎不再變化。(5)為了研究氦離子對多晶鎢的影響,利用能量為18 keV的氦離子對拋光后的塊狀鎢樣品進(jìn)行注入,結(jié)果表明:隨著注入劑量的升高,樣品表面會出現(xiàn)氣泡的形成、長大、破裂及層離四種損傷過程,并且在高輻照劑量情況下,以上四種過程在同一塊樣品表面同時存在。(6)對鎢樣品表面形成的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行FIB切割實驗,結(jié)果表明:突起內(nèi)部存在空洞,當(dāng)注入劑量為1.35×1018 ions/cm~2時,空洞深度為100 nm。(7)分別對機械拋光與電解拋光兩種方式制備的樣品進(jìn)行氦離子注入,結(jié)果發(fā)現(xiàn),對于機械拋光處理后的樣品,注入后所形成氣泡的大小及分布極其不規(guī)則,表明機械拋光確實會對材料表面產(chǎn)生損傷,引入局部應(yīng)力。
【學(xué)位單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TL64
【部分圖文】：

圖 1-1 ITER 裝置示意圖[11]1.2.1 面向等離子體材料在聚變堆運行的過程中，為防止逃逸的高能等離子體對結(jié)構(gòu)材料的濺射，需要在結(jié)構(gòu)材料上覆蓋一層保護(hù)材料，這種材料稱為面向等離子體材料，其主要承擔(dān)保護(hù)第一壁、孔欄和偏濾器的任務(wù)。如果等離子體發(fā)生破裂，等離子體能量將在極短的時間內(nèi)（0.1 ms）沉積到這些表面覆蓋材料上，從而減小對結(jié)構(gòu)材料的損傷。由于其不承擔(dān)結(jié)構(gòu)功能，對面向等離子體材料的要求主要有以下幾點：首先必須要具備高熱沖擊抗性及熱負(fù)荷能力；其次，為降低氘、氚離子對壁材料的影響，要求其對氫同位素滯留量低；再次，為減少壁材料因離子濺射而進(jìn)入等離子體環(huán)境中，還要求其具備較低的濺射率；最后，還要具備低活化能力，以保證材料的使用壽命。如果面向等離子體材料因發(fā)生濺射而進(jìn)入等離子體環(huán)境中，會通過韌致輻射損失能量，降低聚變堆功率。由于韌致輻射損失的能量隨原子序數(shù)升高而增大，因此表面覆蓋材料的原子序數(shù)一般很小，比如碳、鈹?shù)�，而在距�?

圖 1-2 ITER 裝置中第一壁及偏濾器結(jié)構(gòu)示意圖[12]1. 碳纖維復(fù)合材料(Carbon Fiber Composite，CFC)碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢是具有較低的原子序數(shù)、良好的高溫強度和很高的熱導(dǎo)率[800℃時為 300W/(m·K)]。在托卡馬克裝置運行過程中，高能等離子體一旦出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，等離子體的能量會在材料表面瞬間釋放，而碳纖維復(fù)合材料由于極高的熱導(dǎo)率可以起到很好的保護(hù)作用，因而被考慮選為托卡馬克裝置中面向等離子體部件的護(hù)甲材料。目前 CFC 材料的研究主要是強流中子引起的輻照損傷，以及這些損傷對 CFC 微觀結(jié)構(gòu)和機械性能所帶來的影響，例如熱導(dǎo)率、氫同位素滯留量、腫脹等。其中最值得注意的就是氚在 CFC 中的滯留問題，因為碳的存在加速了氚與含碳復(fù)合物的共沉積，因此氚在材料中滯留問題比較嚴(yán)重，在短脈沖托卡馬克裝置中觀察到，啟動時氚的沉積可達(dá)到 1-20 克。氚的存在會影響材料的壽命以及機械性能，因此在護(hù)甲材料的設(shè)計上需要降低氚的吸收，目前提出的解決方法有以下幾種：（1）在氧化環(huán)境中對材料進(jìn)行高溫處理；（2）在氧的低壓環(huán)境中對材料進(jìn)行等離子體清洗。初步實驗結(jié)果表明，以上方法都可以達(dá)到

大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 氫、氦離子注入鎢中氣泡的形成及演化行為荷比第一壁其它部位的材料要高 10 倍以上。此外，等離子體一旦發(fā)生破量將在極短的時間內(nèi)傾瀉在這些部件上，因此對于偏濾器這種部件需要的材料，即高密度熱流材料。與其他材料相比，鎢具有極高的熔點（3410℃）、抗熱負(fù)荷能力強、低1.3 10-7Pa）、熱膨脹率低、導(dǎo)熱性好和高溫下高強度等顯著優(yōu)點，同及其同位素離子的作用小，不與氫形成化合物，是一種理想的高密度熱覆蓋材料。在聚變堆中，主要應(yīng)用在熱流密度很高的偏濾器內(nèi)外垂直靶上-3 給出了幾種聚變堆候選材料在 10dpa 以上輻照環(huán)境下的工作溫度，可比之下金屬鎢具有更好的高溫強度及抗輻照能力。

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本文編號：2815800