钨壁材料的热疲劳及等离子体辐照实验研究

发布时间：2020-07-25 13:17

【摘要】：磁约束核聚变是目前受控热核聚变最可能实现的方法,是未来解决人类能源问题的最重要的途径。聚变领域材料研究的一个重要任务,就是寻找和研究具有优良性能的面向等离子体材料(Plasma-facing materials,PFMs),包括第一壁材料和偏滤器材料,以及加工高性能的面向等离子体部件。金属钨(W)因其优异性能,被认为是最有可能全面应用在未来聚变堆中的面对等离子体材料。钨材料作为聚变装置中面向等离子体材料(PFMs),要经受高热冲击/高剂量的中子和氘、氦等离子体复炸等恶劣环境的考验。在高热流作用下表面形成的热疲劳损伤,以及高剂量辐照下产生的辐照损伤,影响等离子的稳定性及装置的安全性,甚至导致面向等离子体材料失效。因此,研究钨材料在热负荷和等离子体辐照的损伤行为,具有非常重要的科学意义。本文改进了热疲劳裂纹损伤的定量分析方法,为钨面向等离子体材料的寿命评估提供依据。采用电子束设备和直线等离子体发生装置对钨材料进行热疲劳和氘(D)等离子体辐照实验,研究钨PFM的热疲劳D辐照性能。此外,提出了叠片式结构和表面“溢气通道”两个新的PFM改进思路,并进行实验验证其对热疲劳和辐照性能的改善作用。本文首先在现有通用的热疲劳分级评价法(半定量评价)的基础上,改进了热疲劳损伤定量分析方法,提出了裂纹面密度、线密度和平均宽度等定量评价参量。利用计算机软件对扫描电子显微镜照片进行处理,标记裂纹区域并统计可定量计算出表面裂纹面密度、线密度、平均宽度等参数,从而在较大程度上提高了热疲劳损伤评价的客观性和定量性。利用电子束设备对平行于轧制方向(TD)/垂直于轧制方向(RD)的钨样品在功率密度36 MW/m~2下循环500、1000、1500和2000次,并对其表面裂纹进行定量分析。结果表明:随着循环次数的增大,材料表面产生的裂纹会形成恶性循环,网状裂纹有联通扩展成超大裂纹的现象。由于有较高的晶界密度,垂直轧制方向的RD钨样品表现出更好的抗热疲劳性能。不同轧制方向的样品,裂纹优先扩展的方向不同。RD钨样品裂纹优先在长度上扩展,而TD钨样品优先在宽度上扩展。提出并利用不同厚度的铜箔构造出一种叠片式结构与铜块体制成组合样品,同时在电子束功率密度28MW/m~2下进行扫描式热疲劳循环3000次。实验结果表明:叠片结构的表面处于单轴应力状态,热疲劳后产生的裂纹较少较细,且多垂直于箔片的方向。经过定量分析表面裂纹损伤程度,发现铜箔构成的叠片表面裂纹的相对面密度、主裂纹线密度和宽度均远远低于铜块体。铜箔的厚度越小,叠片式的表面结构更细密,其抗热疲劳开裂性能越强。叠片结构表面在一定程度上可以抑制裂纹的萌生和扩展,抗热疲劳性能更好。利用直线等离子体发生装置,在氘(D)等离子体能量50 eV,束流密度为~1×10 ~222 ion/m ~2 s下,分别对TD/RD钨进行三种辐照剂量的D等离子体辐照。实验结果表明:D辐照下钨表面形成的氘泡以圆形鼓泡为主。随着剂量的增加,产生的氘泡大小和密度逐渐增大,氘泡多呈现多层结构,产生扁平形气泡的概率明显增大,而起泡对于晶粒取向的依赖性逐渐变弱。平行轧制方向的RD钨表现出更好的抗辐照起泡性能,在低/中/高辐照剂量下起泡的密度均远小于TD钨。低辐照下RD钨表面的氘泡较小,但其气泡的长大速度较大,导致在高辐照下RD钨表面的气泡尺寸逐渐接近并超过TD钨样品。此外,利用FIB刻槽加工RD钨,TD钨和再结晶钨钨材料的表面形成表面“溢气通道”形貌,并进行D等离子体辐照实验。结果表明:三种不同的钨样品经过辐照后刻槽区域产生的气泡密度明显低于其他区域,刻槽方案能形成表面“溢气通道”,在一定程度上可以抑制气体在表面滞留,减少表面起泡现象,提高面向等离子体的抗辐照性能。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL627
【图文】：

示意图,热核聚变,国际,示意图

图 1-1 国际热核聚变堆 ITER 装置结构示意图[11].1-1 Schematic of the International Thermonuclear Experimental React磁约束控聚变能的大课题中，除了高参数稳态等离子体物理题，还面临另一个瓶颈问题：未来反应堆关键材料问题。其是用于第一壁，偏滤器等处的关键材料。在托卡马克装置中体发生碰撞，虽然时间很短暂，但碰撞过程中会发生很多物的高热负荷对壁材料的热疲劳损伤，等离子体溅射刻蚀和杂面气体滞留起泡等[14-16]，影响第一壁和偏滤器的稳定服役。向等离子体材料在等离子体相互作用下的损伤行为，对于关为重要[17,18]。等离子体材料装置中面向等离子体材料直接与边缘等离子体接触，会受到高能粒子，电磁辐射等，其典型的热负荷条件具体参数如表等离子体材料在恶劣的服役环境下产生严重的表面改变，材

钨材料,辐照,气泡

图 1-3 钨材料在辐照过程中的四种损伤类型[43-45]Fig.1-3 The four kinds of tungsten destructive types in irradiation.2.1 滞留及起泡 1000K 左右的高温条件下，聚变装置中经过加速的高能 D 和 He 渗入面向等离子体材料表面层以下，与材料内部发生相互作用，产生损伤。研究表明，大多数这种气泡产生的根本原因是，气体被材料中获而形成的[46]。随着辐照时间的增加，材料表层内气体浓度逐渐积累转移和汇聚，样品表面的气体浓度逐渐达到饱和，H/He 气体将以扩材料内部运输，在材料表面形成大小和形状都各异的凸起状气泡，一小都在纳米级别。材料表面产生的气泡损伤大多为半球状轮廓、底部腔的结构形态。这类气泡的形成首先需要有高浓度的等离子体，其形于材料中的杂质、空位、晶界等缺陷处[47]，随着 H/He 滞留量的增加地融合长大，使材料表面拱起变形而形成气泡。另外，辐照后的气泡等离子体材料的上表面与基底脱离，导致材料的热导率大大下降。在

示意图,轧制方向,样品,电解抛光

图 2-1 W 样品的轧制方向示意图Fig.2-1 The rolling direction of tungsten samp以便后续研究，钨样品需经过砂纸机械溶液进行电解抛光。氢氧化钠电解抛光正极通过导线与钨样品连接，电源的负，通电后发生电解反应阳极失去电子，中所用的电压为 11V，最终控制钨样

【参考文献】