發(fā)布時間：2021-09-19 15:57

　　第一壁材料是核聚變裝置內(nèi)直接面向等離子體輻照環(huán)境的結(jié)構(gòu)材料。鎢由于高熔點、高濺射閾值及低燃料滯留等優(yōu)勢被稱為聚變堆面向等離子體第一壁材料的候選材料。聚變反應(yīng)產(chǎn)物氦對壁材料造成的輻照損傷、滯留及對氫同位素滯留的影響也不利于聚變材料的性能及服役壽命。材料內(nèi)氦滯留行為及深度分布的研究有助于深刻理解氦與壁材料之間的相互作用。因此本文主要利用磁控濺射、離子注入設(shè)備制備氦含量可控的薄膜及第一壁整體材料,并結(jié)合盧瑟福背散射（RBS）、掃描電鏡（SEM）、透射（TEM）、熱脫附譜（TDS）、SRIM軟件模擬及輝光放電光譜（GDOES）,建立GDOES分析不同材料（含氦鎢薄膜、鎢、銅及EUROFER97鋼）中氦濃度分布,定量研究氦在第一壁中滯留規(guī)律以及氦滯留對后續(xù)氘輻照后材料表面形貌、氘氦滯留行為的影響。主要研究結(jié)果如下:（1）通過在氬氦混合氣氛下磁控濺射鎢靶,制備氦含量可控的鎢薄膜。制備的鎢氦薄膜表面光滑致密,斷面均呈柱狀型結(jié)構(gòu)。鎢氦薄膜熱脫附譜中氦在高溫區(qū)（1300 K）存在脫附峰,高溫區(qū)氦脫附行為大多與氦空位復合物、團簇及氣泡的形成有關(guān)。厚度為1200 nm的氦鎢薄膜,其脫附峰并不明顯,可能是因為... 

【文章來源】：蘭州理工大學甘肅省

【文章頁數(shù)】：62 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

氘氚聚變反應(yīng)原理圖

核技術(shù)方面從基礎(chǔ)研究至工程可行性的轉(zhuǎn)變。在異常情況下，PFCs的損壞仍然是托卡馬克反應(yīng)堆安全、成功和可靠運行的最嚴重問題之一。腔室內(nèi)等離子體失穩(wěn)將以各種形式發(fā)生，如破裂、邊緣局部模式（ELMs）、逃逸電子（RE）和垂直位移事件（VDEs）。我國在等離子體與壁材料相互作用（PWI）方面的研究不管在試驗還是理論知識方面都起步較晚，僅有少數(shù)研究所與大學涉及。PWI主要發(fā)生在等離子體與面向等離子體材料（PFM）組成的區(qū)域內(nèi)，直接作用于PFM并通過表面材料進入到基體[11]，因此PFM的選擇對PWI的運行過程有決定性的影響。圖1.2ITER裝置示意圖[13-15]1.3聚變堆面向等離子體材料發(fā)展聚變反應(yīng)發(fā)生時，聚變堆腔室內(nèi)產(chǎn)生大量高束流、高熱流等離子體及各種粒子。面向等離子體材料的原子可與高達14MeV能量的高能中子碰撞產(chǎn)生顯著的級聯(lián)效應(yīng)出現(xiàn)間隙原子與空位等晶體缺陷，這些缺陷經(jīng)過擴散會形成二次缺陷如位錯環(huán)等。在復雜的服役環(huán)境下，PFMs遭受著高能、高熱及高束流的等離子體環(huán)境帶來的不利損傷，還要面臨不同輻照條件下粒子的轟擊，這一點在發(fā)生等離子體破裂與垂直位移事件時對材料的損傷更為明顯[17-18]。PFMs的選擇直接決定等離子體的穩(wěn)定性及材料的抗輻照性能、使用壽命、與等離子體之間不同的相互作用，因此研究人員對PFMs性能方面的選擇尤為重視，這也是面向等離子體材料一直發(fā)展至今的原因。

ι淶牧俳縹露齲?饈?得鎢的濺射產(chǎn)額大大降低。與此同時，作為壁材料，鎢內(nèi)發(fā)生的沉積、刻蝕及滯留行為也不可避免，因此將鎢材料中氫氦的脫附及滯留行為作為重點研究很有必要。1.4聚變等離子體與第一壁材料相互作用研究現(xiàn)狀在強磁場約束的可控熱核聚變裝置托卡馬克中，面向等離子體材料面臨高熱流等離子體的輻照、高束流粒子的轟擊和聚變反應(yīng)中高能中子輻照的苛刻的服役環(huán)境[20,35]。這些輻照作用導致PFM的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使其表面產(chǎn)生不同程度的損傷，且注入的氫、氦粒子被部分缺陷所捕獲、累積并造成一定程度的滯留。如圖1.3為等離子體與器壁材料之間的相互作用，包括起泡、位錯、再沉積、滲透、刻蝕及滯留行為。缺陷與聚變?nèi)剂舷嗷プ饔脤Φ谝槐诓牧系臏艏皾B透產(chǎn)生較大影響[18]，導致第一壁材料力學性能降低。氦主要作為聚變反應(yīng)中大量產(chǎn)物以及在材料內(nèi)中累積后形成氦泡，沿著晶界、位錯等地方使材料發(fā)生氦脆現(xiàn)象[39]，這將嚴重影響聚變堆結(jié)構(gòu)材料的使用壽命聚變裝置的穩(wěn)定運行。氦的聚集通過改變氫的擴散及捕獲行為而影響氫的滯留，因此氦的滯留行為及定量測量成為研究人員廣泛關(guān)注的熱點之一[40]。圖1.3不同輻照條件下對材料造成損傷的示意圖1.4.1氦離子輻照對壁材料相互作用研究現(xiàn)狀氦作為惰性氣體，難溶于金屬，因此研究氦輻照材料造成的輻照損傷需要人為地將氦引入至材料內(nèi)。文獻[41-42]中曾提到四種引入氦的方法，分別是：離子注入、中子輻照、氚衰變及高壓充氦。離子注入方法[43]是利用KeV～MeV能量級的氦離子轟擊材料，它的優(yōu)點主要是速度快、可引入較高濃度的氦，對材料造成輻照損傷；中子輻照[44]會產(chǎn)

【參考文獻】：
期刊論文
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碩士論文
[1]雜質(zhì)等離子體輻照對鎢中氘滯留影響的研究[D]. 張瀚文.蘭州理工大學 2019
[2]氮/氘等離子體輻照鎢第一壁材料服役行為研究[D]. 張學希.蘭州理工大學 2017



本文編號：3401907