基于BCA方法的氦轰击钨绒毛层的研究

发布时间：2020-08-25 07:47

【摘要】：聚变装置中面向等离子体材料处在严苛的工作条件下,承受着高温、高热负荷、14 MeV的高能中子辐照和逃逸离子轰击等。钨(W)具有高熔点、高导热率、高密度、低热膨胀系数、低蒸汽压、低氚滞留、低溅射产额和高自溅射阈值等优异性能,被认为是核聚变堆面向等离子体部位的最佳候选材料,将在ITER的偏滤器处使用。实验研究发现,在低于溅射阈值的低能氦(He)离子辐照下,W近表层内形成大量氦泡,并形成绒毛状纳米丝状结构(fuzz)或孔洞等表面损伤。这些表面损伤严重危害到材料的使用性能和服役寿命,而且会对氚自持、等离子体的性能和稳定性造成伤害。在He辐照下fuzz能持续生长,厚度可达几百纳米甚至微米量级。已有的研究表明fuzz生长的动力来源于He,但是低能He(100 eV)在W中的穿透能力仅十几纳米。He如何穿过fuzz层到达W表面,是fuzz形成过程中的关键问题。同时,fuzz的存在会导致溅射产额增加。溅射产生的W原子成为杂质,污染托卡马克装置中的等离子体芯部,对等离子体的稳态运行产生影响。针对这些问题,本文建立了不同特征的fuzz模型,使用IM3D代码,研究了离子在fuzz模型中的输运过程。IM3D是基于二体碰撞近似(BCA)方法的蒙特卡洛代码,可高效处理粒子在纳米三维复杂结构中的输运过程。本文主要研究了He在W表面fuzz绒毛层中的穿透行为,以及氩(Ar)离子辐照下的fuzz表面的溅射特性。结果显示,fuzz模型中的微元尺寸、取向、密度对He的穿透特性都有着显著影响。Fuzz绒毛层中连续的开放通道是影响He穿透能力的主要因素。He在具有不同宏观特征的fuzz中的穿透深度在153 nm~338 nm之间,证明了He穿过fuzz到达W表面的可能。本文还计算了100~2000 eV能量范围内Ar轰击下fuzz绒毛层表面的溅射率。结果表明fuzz绒毛层表面的溅射率显著低于相同辐照条件下光滑钨表面的溅射率;随着fuzz孔隙度的增加,溅射率不断下降;随着离子入射能量增加,溅射率缓慢上升。绒毛纳米丝层fuzz的疏松多孔结构是影响溅射率的主要因素。这些模拟结果有助于认识fuzz结构的穿透和溅射特性,以及阐释He辐照诱导W绒毛层生长的机理。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL62
【图文】：

托卡马克,难题,面向等离子体材料

科技大学硕士学位展显著，但仍存在很多难题。除了等离子难题。等离子体与材料之间的相互作用对的影响。反应堆中材料面临苛刻的工作环14 MeV 高能中子辐照，逃逸离子的轰击题，寻找合适的面向等离子体材料是成败

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形貌,绒毛,表面损伤,纳米丝

9(c)图 1-3 钨的表面损伤绒毛纳米丝层 fuzz 形貌信息。（a）来自[25]，（b）来自[23]，（c）来自[34]。已有研究表明，近表面层氦泡以及表面损伤均可严重改变氘/氚的滞留率[27]，危害到氚自持，并带来材料核安全性的隐患。绒毛层结构使材料表面的光反射率[28]和热导率[23]降低几个数量级，增加钨熔化的危险。而且，绒毛层结构可造成单级电

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