钨中驻留氘的热解吸与氢同位素交换去除技术研究

发布时间：2020-05-20 21:47

【摘要】：我国将在2030年前后建立具有发电输出功能、氚自持的中国聚变工程实验堆(CFETR)。作为CFETR装置中最具希望的面向等离子体材料,钨材料中氢同位素驻留量的合理评估及驻留氢同位素的有效去除,是装置安全设计和稳定运行需要考虑的重要问题之一。本文采用气相热充法向钨材料中引入氘,系统考察了晶粒尺寸及掺杂元素对钨中氘驻留行为的影响规律,研究并评估了热解吸法和氢同位素交换法对钨中驻留氘的去除效率。首先,对比了多种不同表面形貌的纯钨及钨合金在相同实验条件下气相充D_2的热脱附数据。研究表明:几种纯钨样品中,由中国科学院固体物理研究所提供的采用热轧制工艺制备的纯钨样品中氘滞留量最低(0.39appm);掺杂不同元素的钨材料中的氘脱附量相差较大,0.5%wt ZrC掺杂钨样品在相同条件下的滞留量(0.64appm)比V-Ta-Ti-Cr掺杂(1.74appm)和掺杂Y_2O_3钨样品(10.06appm)低一个数量级;相比于V-Ta-Ti-Cr和Y_2O_3钨,ZrC颗粒细小且主要分布于基体材料的晶界位置,一定程度上减少了氘在晶界的滞留。与之相比,掺杂ZrC有利于降低W中D的滞留。其次,进一步研究了不同晶体尺寸(3~90μm)W-0.5wt%ZrC样品在退火后、气相热充氘后、热脱附后的表面形貌变化。定量热脱附谱测试显示,随着晶粒尺寸增大样品的氘脱附量呈现降低趋势。在不完全再结晶状态下脱附量最低,达到0.47appm。可见ZrC的掺杂有利于降低W中氘的滞留,且氘滞留对材料表面的损伤较小,因此,W-0.5wt%ZrC相较以上材料,更适合作为面向等离子体材料在实际聚变堆中应用。然后,研究了热解吸法对钨中驻留氘的去除效果。氘主要以固溶原子的形式存在于钨中;W-安泰样品中D_2与HD的热脱附活化能分为2.18eV、2.17eV;673K以下2h真空保温除氘过程中没有明显的氘释放,但延长退火时间至3h,可使后续升温阶段氘热脱附谱峰向低温端偏移;经历773K及以上温度、2h真空保温除氘的样品,氘去除率达到80%以上,除氘效果明显。最后,研究了氢同位素交换法对纯钨中驻留氘的去除效果。发现373-673K温度范围内、100kPa氢压力的同位素交换,对钨中氘没有明显去除效果,但随氢同位素交换温度升高、时间延长,氘热脱附峰向低温段偏移。氢同位素交换可使深度捕陷的氘原子向低俘获能的位置迁移,773-973K范围内的氢同位素交换效果明显,氘去除率达到65%以上。
【图文】：

核聚变反应,欧盟,韩国,俄罗斯

1图 1.1 ITER 装置示意图Fig. 1.1 ITER Device schematic为了对核聚变反应的稳定性进行全方面考察，，中国、欧盟、美国、俄罗斯、韩国、

位错,本征,氘等离子体,辐照

图 1.3 （a）未辐照钨样品本征位错特征[21]，（b）1×1022m-2s-1氘等离子体辐照后钨样品内部位错特征[20]，（c）7×1023 m-2s-1氘等离子体辐照后钨样品内部位错特征[21]Fig. 1.3 （a）eigendislocation characteristics of unirradiated tungsten samples[21]（b）Dislocationcharacteristics of tungsten irradiated by 1×1023m-2s-1deuterium plasma[20]（c）Dislocation characteristicsof tungsten irradiated by 1×1023m-2s-1deuterium plasma[21]
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG146.411

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