钨基面向等离子体材料的热力学性质及其与氢相互作用的理论研究

发布时间：2020-09-19 08:28

　　 随着人类社会的发展,能源短缺和环境污染问题日益严峻,可控热核聚变能的发展对解决这些问题具有非常重要的意义。在核聚变反应堆运行时,面向等离子体材料(PFM)发挥着至关重要的作用。由于其高熔点、高热导率、低物理溅射率和低氢(H)滞留率等优良的物理性质,钨(W)材料被认为是最有前景的PFM。然而,作为PFM,W在服役过程中将不可避免地受到高通量的H同位素、氦离子和高能中子的辐照,以及各种高强热流的冲击,这将对W的结构和热力学性质产生很大的影响,而PFM的服役性能关系到核聚变能是否能够真正得到应用。在本论文中,我们针对核聚变环境下W的热力学等物理性质开展了一系列理论上的研究工作,主要内容如下:第一章主要对W基PFM在核聚变反应堆中面临的问题及当前的研究进展做了详细的介绍。在第二章中,我们对本论文中用到的紧束缚(TB)势模型和Kubo方法进行了简单介绍。在第三章中,结合Kubo方法与TB势模型,我们对W金属的电子输运性质进行了研究。研究结果表明,该方法特别适合于对高温或缺陷体系的电子输运性质进行计算。我们计算了不同点缺陷(空位和自间隙原子)浓度下W的电子热导率,发现点缺陷的存在会显著降低W的热输运性能。在第四章中,我们提出了一种新的适用于大体系TB计算的O(N)方法。该方法基于“divide and conquer”的思想,通过对局部进行求解直接获得整个体系物理量的近似值。我们将该方法应用于W金属体系,并证明它是足够精确的,可以很好地重复出对完整哈密顿矩阵进行精确对角化的结果。同时,该方法的计算效率也很高,表现出极佳的O(N)特性、较少的内存消耗和极高的并行效率等优点,使其可以应用于超大体系的TB计算,这为后续的研究工作奠定了基础。在第五章中,我们考虑了电子激发效应,对W材料在电子温度远高于离子温度的非平衡条件下的热力学性质进行了研究。在大量电子激发下,W的金属键会随着体系电子温度的升高逐渐变弱,导致W晶格的剧烈膨胀,而这进一步减弱了W原子间的相互作用,使W的体弹性模量、杨氏模量和点缺陷形成能在高电子温度下出现大幅度的下降,同时,空位和自间隙原子的扩散速度则会随着电子温度的升高迅速增加。进一步的,这还会导致W材料的抗粒子辐照性能在高电子温度下出现明显的下降。此外,当体系瞬间处于足够高的电子温度下,剧烈的热膨胀将导致体系在较低的离子温度下(远低于熔点)出现内部熔化而表面区域不熔化的反常熔化现象。在第六章中,基于第一性原理计算,我们研究了H原子与W的小角度倾斜晶界的相互作用,以及W、Be、H之间的相互作用。研究结果表明,W的小角度倾斜晶界可以作为捕获中心捕获大量的H原子,导致H气泡的直接形成。而W的单空位可以溶解多个Be原子形成nBe-Vw(n=1-10)复合体,邻近该复合体的W空位形成能将显著降低,促进nBe-Vw复合体的扩张并溶解更多的Be原子,且nBe-VW复合体的存在会显著降低H在W空位处的滞留。Be原子同样可以溶解在W的小角度晶界处,少量的Be原子在晶界处的溶解对于H滞留及H气泡的形成并没有明显的影响,而大量Be原子的溶解会促进晶界区域的扩张。最后,在第七章中,我们对本论文的研究工作做了总结,并对后续可开展的课题进行了展望。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TL627
【部分图文】：

强磁场约束等离子体并将其加热至极端高温以实现可控热核聚变反应Ｗ。国际热逡逑核聚变反应实验堆（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｔｈｅｒｍｏｎｕｃｌｅａｒ邋Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋Ｒｅａｃｔｏｒ，邋ＩＴＥＲ邋）邋［４］是逡逑目前在建的世界上最大的实验性托卡马克核聚变反应堆，其装置示意图如图１．１逡逑所示。该项目启动于２００６年，由欧盟、中国、美国、俄罗斯等多个国家与地区逡逑参与，目的在于验证核聚变发电的可行性。逡逑霭孺逦

本文编号：2822278