几种聚变堆材料力学及表面性质的第一性原理研究
发布时间：2021-04-09 18:26
安全且环保的聚变能是解决人类能源问题的重要途径。聚变堆正常运行时所产生的高通量中子辐照会使材料发生核嬗变反应,从而引起材料的化学成分发生改变,导致材料力学性能劣化。而合金的弹性性质以及合金化元素所引起的变化对合金的设计十分重要。本论文选取基于密度泛函理论的全电子精确的Muffin-Tin轨道（EMTO）方法和相干势近似为主要研究工具。我们选取两种第一壁候选材料:面向等离子体材料钨和结构材料低活化铁素体/马氏体钢（RAFM）,从原子尺度研究了合金化元素对材料单晶力学性质的影响,阐明了合金组分变化与力学性能的关系,为预测和设计合金提供理论依据。钨合金由于具有高熔点、高导热系数以及低溅射产率等特点成为聚变反应堆面向等离子体的首选材料。为了研究核嬗变反应所产生的杂质元素对材料单晶力学性质的影响,我们研究了嬗变元素Re和Os对W金属的弹性性质及延展性的影响。研究发现Re和Os元素的加入都使体系的平衡晶格常数变小,体模量增大。W1-x-yRexOsy（0≤x,y≤0.06）的多晶剪切模量和杨氏模量随着Re的增加而增加,随着Os的增加而减少。由柯西压、泊松比、体模量与剪切模量比（B/G）以及主滑移体...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：115 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１从１９７１至２０１６世界上所提供的能源总量（单位：百万吨油当量）⑴??Ｆｉｇ．?１．１?Ｗｏｒｌｄ?ｔｏｔａｌ?ｐｒｉｍａｒｙ?ｅｎｅｒｇｙ?ｓｕｐｐｌｙ?（ＴＰＥＳ）?ｆｒｏｍ?１９７１?ｔｏ?２０１６?ｂｙ?ｆｕｅｌ?（Ｍｔｏｅ）?ｌ＇１??
１０年的建造阶段，２０年的运行和开发利用阶段，５年的去活化阶段和装置退役。该计划??的目标是建造一个可自持燃烧，即“点火”的核聚变实验堆，验证聚变反应堆的工程可行??性，并为商用聚变堆的实现打下基础。托克马克装置的结构示意图如图１．３所示，主要??包括第一壁、结构材料、偏滤器、真空杜瓦和磁场系统等。??麵??图１．３托卡马克聚变堆示意图ｌ１Ｑ）??Ｆｉｇ．?１．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?Ｔｏｋａｍａｋ?ｄｅｖｉｃｅｓ?ｆｏｒ?ｆｕｓｉｏｎ?ｒｅａｃｔｏｒｓ??１．３聚变反应堆的工况??如公式（１．１）所示，氘－氚聚变反应过程中会产生高达１７．６?ＭｅＶ的能量，其中包含Ｈｅ??粒子３．５?ＭｅＶ的能量和中子１４．１?ＭｅＶ左右的能量。据估计［１１］，ＩＴＥＲ反应堆的总中子??通量约为３ｘｌ〇１Ｑ?ｍ２ｓ＿１，ＤＥＭＯ堆的中子通量为１２ｘｌ０１Ｑ?ｍ２ｓ＿ｌ，而最终的商用堆的中子??通量将高达ａＯｘｌＯＷｍＹ１。此外，聚变反应堆还要面临严酷的工况环境，如“点燃”?Ｄ－Ｔ??等离子体所需要超高温、为了使聚变反应充分进行的超强磁场和边缘等离子体等。这样??极端的条件将对未来聚变反应堆的第一壁、增殖包层和分流器等部件的材料造成严重的??损伤，并会影响材料的结构稳定性和物理性能。举个例子来说，在核聚变功率为２－２．５ＧＷ??的ＤＭＥＯ堆运行中会产生＜２ＭＷ／ｍ２的中子墙和５－８ＭＷ－ｙ／ｍ２的中子注量，这将导致??－４?－??
面向等离子体材料??向等离子体材料是关系到聚变反应堆能否正常运行的重要材料之一，它主要和碳复合材料。面向等离子体材料将受到从反应室内等离子体中逸出的高能离原子的侵蚀，这将导致被加热的表面材料被烧蚀和逐渐损坏［２３］。如果再对反应允许中断的次数严格的限制的话，面向等离子体材料在正常运行期间的溉射组件的寿命［２４，２５］。其主要功能是保护第一壁的空栏和偏滤器等部件的结构材子体和高能粒子的溅射、起泡等，同时还有移走辐射到材料表面热量的功能该部分的材料需满足耐高温、低溅射、高热负载能力、低活化、低氣滞留及与的兼容等特点。实验上正在对高Ｚ材料，尤其是Ｗ进行测试，因为这种材料行条件下的侵蚀要比碳、铍等低Ｚ材料受等离子体诱导的侵蚀低得多。下面我介绍Ｗ的研究情况。??Ｗ的优点是高熔点、高导热系数、氚滞留量低、等离子体载荷下的腐蚀速率些物理性质使得ｗ被选为包括ＩＴＥＲ、甚至ＤＥＭＯ在内的聚变反应堆面向等滤器元件的主要候选材料。Ｗ的这些优点也使Ｗ成为第一壁其他部分的理想
【参考文献】：
期刊论文
[1]可控核聚变与国际热核实验堆（ITER）计划[J]. 冯开明. 中国核电. 2009(03)
[2]能否提前应用聚变能?[J]. 邱励俭. 力学进展. 2009(04)
[3]硅对低活化马氏体钢电子辐照行为的影响[J]. 赵飞,乔建生,黄依娜,万发荣,许咏丽,柴山环树,大贯惚明. 原子能科学技术. 2008(01)
[4]中国低活化马氏体钢CLAM研究进展[J]. 黄群英,李春京,李艳芬,刘少军,吴宜灿,李建刚,万发荣,巨新,单以银,郁金南,朱升云,张品源,杨建锋,韩福生,孔明光,李合琴,室贺健夫,长坂琢也. 核科学与工程. 2007(01)
博士论文
[1]聚变堆结构材料中氦原子等杂质效应的第一性原理研究[D]. 李瑞环.大连理工大学 2016
[2]聚变堆材料钒合金和铍固体辐照效应的模拟研究[D]. 张朋波.大连理工大学 2012
本文编号：3128105
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：115 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１从１９７１至２０１６世界上所提供的能源总量（单位：百万吨油当量）⑴??Ｆｉｇ．?１．１?Ｗｏｒｌｄ?ｔｏｔａｌ?ｐｒｉｍａｒｙ?ｅｎｅｒｇｙ?ｓｕｐｐｌｙ?（ＴＰＥＳ）?ｆｒｏｍ?１９７１?ｔｏ?２０１６?ｂｙ?ｆｕｅｌ?（Ｍｔｏｅ）?ｌ＇１??
１０年的建造阶段，２０年的运行和开发利用阶段，５年的去活化阶段和装置退役。该计划??的目标是建造一个可自持燃烧，即“点火”的核聚变实验堆，验证聚变反应堆的工程可行??性，并为商用聚变堆的实现打下基础。托克马克装置的结构示意图如图１．３所示，主要??包括第一壁、结构材料、偏滤器、真空杜瓦和磁场系统等。??麵??图１．３托卡马克聚变堆示意图ｌ１Ｑ）??Ｆｉｇ．?１．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?Ｔｏｋａｍａｋ?ｄｅｖｉｃｅｓ?ｆｏｒ?ｆｕｓｉｏｎ?ｒｅａｃｔｏｒｓ??１．３聚变反应堆的工况??如公式（１．１）所示，氘－氚聚变反应过程中会产生高达１７．６?ＭｅＶ的能量，其中包含Ｈｅ??粒子３．５?ＭｅＶ的能量和中子１４．１?ＭｅＶ左右的能量。据估计［１１］，ＩＴＥＲ反应堆的总中子??通量约为３ｘｌ〇１Ｑ?ｍ２ｓ＿１，ＤＥＭＯ堆的中子通量为１２ｘｌ０１Ｑ?ｍ２ｓ＿ｌ，而最终的商用堆的中子??通量将高达ａＯｘｌＯＷｍＹ１。此外，聚变反应堆还要面临严酷的工况环境，如“点燃”?Ｄ－Ｔ??等离子体所需要超高温、为了使聚变反应充分进行的超强磁场和边缘等离子体等。这样??极端的条件将对未来聚变反应堆的第一壁、增殖包层和分流器等部件的材料造成严重的??损伤，并会影响材料的结构稳定性和物理性能。举个例子来说，在核聚变功率为２－２．５ＧＷ??的ＤＭＥＯ堆运行中会产生＜２ＭＷ／ｍ２的中子墙和５－８ＭＷ－ｙ／ｍ２的中子注量，这将导致??－４?－??
面向等离子体材料??向等离子体材料是关系到聚变反应堆能否正常运行的重要材料之一，它主要和碳复合材料。面向等离子体材料将受到从反应室内等离子体中逸出的高能离原子的侵蚀，这将导致被加热的表面材料被烧蚀和逐渐损坏［２３］。如果再对反应允许中断的次数严格的限制的话，面向等离子体材料在正常运行期间的溉射组件的寿命［２４，２５］。其主要功能是保护第一壁的空栏和偏滤器等部件的结构材子体和高能粒子的溅射、起泡等，同时还有移走辐射到材料表面热量的功能该部分的材料需满足耐高温、低溅射、高热负载能力、低活化、低氣滞留及与的兼容等特点。实验上正在对高Ｚ材料，尤其是Ｗ进行测试，因为这种材料行条件下的侵蚀要比碳、铍等低Ｚ材料受等离子体诱导的侵蚀低得多。下面我介绍Ｗ的研究情况。??Ｗ的优点是高熔点、高导热系数、氚滞留量低、等离子体载荷下的腐蚀速率些物理性质使得ｗ被选为包括ＩＴＥＲ、甚至ＤＥＭＯ在内的聚变反应堆面向等滤器元件的主要候选材料。Ｗ的这些优点也使Ｗ成为第一壁其他部分的理想
【参考文献】：
期刊论文
[1]可控核聚变与国际热核实验堆（ITER）计划[J]. 冯开明. 中国核电. 2009(03)
[2]能否提前应用聚变能?[J]. 邱励俭. 力学进展. 2009(04)
[3]硅对低活化马氏体钢电子辐照行为的影响[J]. 赵飞,乔建生,黄依娜,万发荣,许咏丽,柴山环树,大贯惚明. 原子能科学技术. 2008(01)
[4]中国低活化马氏体钢CLAM研究进展[J]. 黄群英,李春京,李艳芬,刘少军,吴宜灿,李建刚,万发荣,巨新,单以银,郁金南,朱升云,张品源,杨建锋,韩福生,孔明光,李合琴,室贺健夫,长坂琢也. 核科学与工程. 2007(01)
博士论文
[1]聚变堆结构材料中氦原子等杂质效应的第一性原理研究[D]. 李瑞环.大连理工大学 2016
[2]聚变堆材料钒合金和铍固体辐照效应的模拟研究[D]. 张朋波.大连理工大学 2012
本文编号：3128105
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