标记钨块在托卡马克装置中的刻蚀及氢同位素滞留研究
发布时间：2021-08-04 04:13
钨因其优良的材料性能成为最具潜力的第一壁材料。托卡马克装置运行过程中,第一壁材料溅射出的杂质钨原子会进入刮削层甚至中心等离子体,导致功率损耗甚至等离子体破裂,影响装置的稳态运行;钨会再沉积到第一壁壁材料表面,形成刻蚀-再沉积循环,影响材料表面形貌和滞留性能。同时滞留在再沉积层/壁材料中的氢同位素会影响等离子体密度控制和燃料燃烧效率,而具有放射性的氚也会影响装置的核安全。本文基于离子束注入深度标记物技术,利用中国国家大科学装置东方超环EAST上搭载的材料与等离子体分析平台（Material And Plasma Evaluation System,MAPES）和韩国国家聚变实验装置KSTAR上的偏滤器材料实验平台开展辐照实验。通过国际合作,利用多种分析手段对辐照后的标记钨材料进行表征,定量研究轧制钨刻蚀行为,以及氢同位素在钨中滞留行为。首先,在EAST上研究钨材料辐照性能变化。电火花切割表面更容易沉积装置内的杂质元素,材料表面沉积了装置内的钼、铜、碳等元素。随着辐照时间的延长,氘滞留量增加,所有样品第一条脱附峰温度略高于辐照基底温度,并且发现一条温度为1070K的高温脱附峰。短时间累积辐...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?ＩＴＥＲ装置设计图［４］??３??
?第１章引言???式得出，注入的氢通量在给定深度ＲＰ出产生的氢浓度为??中一皂＝－０％?（１１°??４．氢的捕获和脱附??晶格中的缺陷对氢有捕获作用，通过平衡氢在缺陷中和溶液中的化学势，??得到了其热力学平衡的条件，对于静态缺陷，统计力学给出了一个氢原子的??平衡条件??其中氢在溶液中的浓度为Ｃ，，氢在缺陷中的浓度为Ｇ?（ＪＣ，ｆ），ＣＴ（ｘ）为缺??陷的浓度，＆为氢在缺陷和溶液中的能差，ｋ是玻尔兹曼常数，Ｔ是温度，??ｚ是每个主晶格原子的溶液点位数。图１．２显示氢在钨中的能级情况。??溶解在材料中的氢原子在表面通过再复合（ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）形成氢分子??而脱附出去，氢在表面的脱附通量人可以用下面的公式表示??Ｊｒ?＝?ｋｒｃ２?（１．１３）??其中，心是表面复合率，Ｃ为氢在材料近表面的浓度。??Ｉ?Ｉ?Ｙ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??２－?Ｈ?ｉ?－??Ｌ．?＼?／ＶｍＡ．，．ＡＡ??＼?Ｉｑ?Ｖａｃａｎｃｙ??Ｊ?．?Ｓｕ＾ａｃｅ???Ｐｏｓｉｔｉｏｎ??图１．２氢在钨中能级示意图ｔ１１】??１．５钨材料中不同来源缺陷对氢同位素滞留影响??材料晶体中的晶格缺陷比正常晶格的捕获能更高，因此注入材料中的粒??子会优先被缺陷捕获，这是入射粒子被捕获和滞留的主要物理机制。此外，??９??
（１）钨材料加工过程中产生的缺陷，这跟晶??体微观结构有很大的关系；（２）等离子体辐射导致的损伤缺陷；（３）中子??辐照导致的损伤缺陷等［２９］。下面将分别介绍不同来源缺陷对氢同位素滞留的??影响。??材料加工过程中产生的缺陷通常包括位错、孔洞和空位等。氢同位素注??入到材料以后，通常被其内部缺陷所捕获，如位错和空位，充当表面起泡的??形核中心Ｍ，当捕获的氢积累到一定浓度后，材料内部便形成氢泡，严重影??响材料性能。材料内的缺陷种类和密度与材料内的微观结构有很大关联。??！??图１．２?（ａ）用电子背散射（ＥＢＳＤ）图谱给出的大晶粒钨（ＬＧＷ?￣４０哗）和小晶粒钨??（ＳＧＷ？２〇ｎｍ）样品的微观结构和晶粒朝向分析；（ｂ）再结晶钨（ＲＥＣＷ）和单晶钨??（ＳＣＷ）的扫描电镜（ＳＥＭ）图［３１＿３２］??Ｂｕｚｉ?Ｌ等［３１＿３２：１分别对不同晶粒尺寸的多晶钨和单晶钨进行氘离子辐照??实验，其表面晶粒如图１．３所示。通过比较扫描电镜（ＳＥＭ）和热脱附谱（ＴＤＳ）??结果表明大晶粒钨在辐照后表面出现尺寸相对较大氢泡，且氘滞留总量与起??泡现象有很大的相关性：当表面出现起泡时氘滞留总量相对较大，当无起泡??现象时，则氘滞留量相对较小；ＴＤＳ结果表明小晶粒钨脱附峰温度比大晶粒??鹤高（？１００Ｋ），原因可能是小晶粒鹤的晶界密度更高，晶界处的固有缺陷??相对更多，增加了捕获点数量；再结晶钨样品表面在低离子束流辐照条件下??出现直径为１０－２（Ｈｉｍ平台状氢泡，且氢泡沿着晶界发展，之前的研宄表明不??规则的晶界及位错线上的扭结和割阶都有可能成为氘的聚集点和起泡的形??１０??
本文编号：3320978
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?ＩＴＥＲ装置设计图［４］??３??
?第１章引言???式得出，注入的氢通量在给定深度ＲＰ出产生的氢浓度为??中一皂＝－０％?（１１°??４．氢的捕获和脱附??晶格中的缺陷对氢有捕获作用，通过平衡氢在缺陷中和溶液中的化学势，??得到了其热力学平衡的条件，对于静态缺陷，统计力学给出了一个氢原子的??平衡条件??其中氢在溶液中的浓度为Ｃ，，氢在缺陷中的浓度为Ｇ?（ＪＣ，ｆ），ＣＴ（ｘ）为缺??陷的浓度，＆为氢在缺陷和溶液中的能差，ｋ是玻尔兹曼常数，Ｔ是温度，??ｚ是每个主晶格原子的溶液点位数。图１．２显示氢在钨中的能级情况。??溶解在材料中的氢原子在表面通过再复合（ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）形成氢分子??而脱附出去，氢在表面的脱附通量人可以用下面的公式表示??Ｊｒ?＝?ｋｒｃ２?（１．１３）??其中，心是表面复合率，Ｃ为氢在材料近表面的浓度。??Ｉ?Ｉ?Ｙ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??２－?Ｈ?ｉ?－??Ｌ．?＼?／ＶｍＡ．，．ＡＡ??＼?Ｉｑ?Ｖａｃａｎｃｙ??Ｊ?．?Ｓｕ＾ａｃｅ???Ｐｏｓｉｔｉｏｎ??图１．２氢在钨中能级示意图ｔ１１】??１．５钨材料中不同来源缺陷对氢同位素滞留影响??材料晶体中的晶格缺陷比正常晶格的捕获能更高，因此注入材料中的粒??子会优先被缺陷捕获，这是入射粒子被捕获和滞留的主要物理机制。此外，??９??
（１）钨材料加工过程中产生的缺陷，这跟晶??体微观结构有很大的关系；（２）等离子体辐射导致的损伤缺陷；（３）中子??辐照导致的损伤缺陷等［２９］。下面将分别介绍不同来源缺陷对氢同位素滞留的??影响。??材料加工过程中产生的缺陷通常包括位错、孔洞和空位等。氢同位素注??入到材料以后，通常被其内部缺陷所捕获，如位错和空位，充当表面起泡的??形核中心Ｍ，当捕获的氢积累到一定浓度后，材料内部便形成氢泡，严重影??响材料性能。材料内的缺陷种类和密度与材料内的微观结构有很大关联。??！??图１．２?（ａ）用电子背散射（ＥＢＳＤ）图谱给出的大晶粒钨（ＬＧＷ?￣４０哗）和小晶粒钨??（ＳＧＷ？２〇ｎｍ）样品的微观结构和晶粒朝向分析；（ｂ）再结晶钨（ＲＥＣＷ）和单晶钨??（ＳＣＷ）的扫描电镜（ＳＥＭ）图［３１＿３２］??Ｂｕｚｉ?Ｌ等［３１＿３２：１分别对不同晶粒尺寸的多晶钨和单晶钨进行氘离子辐照??实验，其表面晶粒如图１．３所示。通过比较扫描电镜（ＳＥＭ）和热脱附谱（ＴＤＳ）??结果表明大晶粒钨在辐照后表面出现尺寸相对较大氢泡，且氘滞留总量与起??泡现象有很大的相关性：当表面出现起泡时氘滞留总量相对较大，当无起泡??现象时，则氘滞留量相对较小；ＴＤＳ结果表明小晶粒钨脱附峰温度比大晶粒??鹤高（？１００Ｋ），原因可能是小晶粒鹤的晶界密度更高，晶界处的固有缺陷??相对更多，增加了捕获点数量；再结晶钨样品表面在低离子束流辐照条件下??出现直径为１０－２（Ｈｉｍ平台状氢泡，且氢泡沿着晶界发展，之前的研宄表明不??规则的晶界及位错线上的扭结和割阶都有可能成为氘的聚集点和起泡的形??１０??
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