第一壁材料中氦分布测量及其对氘滞留的影响研究
发布时间：2021-09-19 15:57
第一壁材料是核聚变装置内直接面向等离子体辐照环境的结构材料。钨由于高熔点、高溅射阈值及低燃料滞留等优势被称为聚变堆面向等离子体第一壁材料的候选材料。聚变反应产物氦对壁材料造成的辐照损伤、滞留及对氢同位素滞留的影响也不利于聚变材料的性能及服役寿命。材料内氦滞留行为及深度分布的研究有助于深刻理解氦与壁材料之间的相互作用。因此本文主要利用磁控溅射、离子注入设备制备氦含量可控的薄膜及第一壁整体材料,并结合卢瑟福背散射（RBS）、扫描电镜（SEM）、透射（TEM）、热脱附谱（TDS）、SRIM软件模拟及辉光放电光谱（GDOES）,建立GDOES分析不同材料（含氦钨薄膜、钨、铜及EUROFER97钢）中氦浓度分布,定量研究氦在第一壁中滞留规律以及氦滞留对后续氘辐照后材料表面形貌、氘氦滞留行为的影响。主要研究结果如下:（1）通过在氩氦混合气氛下磁控溅射钨靶,制备氦含量可控的钨薄膜。制备的钨氦薄膜表面光滑致密,断面均呈柱状型结构。钨氦薄膜热脱附谱中氦在高温区（1300 K）存在脱附峰,高温区氦脱附行为大多与氦空位复合物、团簇及气泡的形成有关。厚度为1200 nm的氦钨薄膜,其脱附峰并不明显,可能是因为...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
氘氚聚变反应原理图
核技术方面从基础研究至工程可行性的转变。在异常情况下，PFCs的损坏仍然是托卡马克反应堆安全、成功和可靠运行的最严重问题之一。腔室内等离子体失稳将以各种形式发生，如破裂、边缘局部模式（ELMs）、逃逸电子（RE）和垂直位移事件（VDEs）。我国在等离子体与壁材料相互作用（PWI）方面的研究不管在试验还是理论知识方面都起步较晚，仅有少数研究所与大学涉及。PWI主要发生在等离子体与面向等离子体材料（PFM）组成的区域内，直接作用于PFM并通过表面材料进入到基体[11]，因此PFM的选择对PWI的运行过程有决定性的影响。图1.2ITER装置示意图[13-15]1.3聚变堆面向等离子体材料发展聚变反应发生时，聚变堆腔室内产生大量高束流、高热流等离子体及各种粒子。面向等离子体材料的原子可与高达14MeV能量的高能中子碰撞产生显著的级联效应出现间隙原子与空位等晶体缺陷，这些缺陷经过扩散会形成二次缺陷如位错环等。在复杂的服役环境下，PFMs遭受着高能、高热及高束流的等离子体环境带来的不利损伤，还要面临不同辐照条件下粒子的轰击，这一点在发生等离子体破裂与垂直位移事件时对材料的损伤更为明显[17-18]。PFMs的选择直接决定等离子体的稳定性及材料的抗辐照性能、使用寿命、与等离子体之间不同的相互作用，因此研究人员对PFMs性能方面的选择尤为重视，这也是面向等离子体材料一直发展至今的原因。
ι涞牧俳缥露龋?馐?得钨的溅射产额大大降低。与此同时，作为壁材料，钨内发生的沉积、刻蚀及滞留行为也不可避免，因此将钨材料中氢氦的脱附及滞留行为作为重点研究很有必要。1.4聚变等离子体与第一壁材料相互作用研究现状在强磁场约束的可控热核聚变装置托卡马克中，面向等离子体材料面临高热流等离子体的辐照、高束流粒子的轰击和聚变反应中高能中子辐照的苛刻的服役环境[20,35]。这些辐照作用导致PFM的晶体结构发生改变，使其表面产生不同程度的损伤，且注入的氢、氦粒子被部分缺陷所捕获、累积并造成一定程度的滞留。如图1.3为等离子体与器壁材料之间的相互作用，包括起泡、位错、再沉积、渗透、刻蚀及滞留行为。缺陷与聚变燃料相互作用对第一壁材料的滞留及渗透产生较大影响[18]，导致第一壁材料力学性能降低。氦主要作为聚变反应中大量产物以及在材料内中累积后形成氦泡，沿着晶界、位错等地方使材料发生氦脆现象[39]，这将严重影响聚变堆结构材料的使用寿命聚变装置的稳定运行。氦的聚集通过改变氢的扩散及捕获行为而影响氢的滞留，因此氦的滞留行为及定量测量成为研究人员广泛关注的热点之一[40]。图1.3不同辐照条件下对材料造成损伤的示意图1.4.1氦离子辐照对壁材料相互作用研究现状氦作为惰性气体，难溶于金属，因此研究氦辐照材料造成的辐照损伤需要人为地将氦引入至材料内。文献[41-42]中曾提到四种引入氦的方法，分别是：离子注入、中子辐照、氚衰变及高压充氦。离子注入方法[43]是利用KeV～MeV能量级的氦离子轰击材料，它的优点主要是速度快、可引入较高浓度的氦，对材料造成辐照损伤；中子辐照[44]会产
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国新能源发展现状研究[J]. 符茂伟. 智库时代. 2019(32)
[2]金属材料中氦泡研究的概述[J]. 赵安宇,程扬名. 浙江冶金. 2018(03)
[3]辉光放电发射光谱在材料成分-深度分析中的应用[J]. 梁家伟,韩逸山,庄素娜,劳珏斌,林伟轩,简玮,王江涌. 真空. 2017(05)
[4]中能高浓度氦离子注入对钨微观结构的影响[J]. 郭洪燕,夏敏,燕青芝,郭立平,陈济红,葛昌纯. 物理学报. 2016(07)
[5]核聚变堆用钨及钨合金辐照损伤研究进展[J]. 丁孝禹,罗来马,黄丽枚,罗广南,李萍,吴玉程. 稀有金属. 2015(12)
[6]国务院发布能源发展战略行动计划[J]. 本刊编辑部. 农村电气化. 2015(01)
[7]国际热核试验堆第一壁材料的研究进展[J]. 丁孝禹,李浩,罗来马,黄丽枚,罗广南,昝祥,朱晓勇,吴玉程. 机械工程材料. 2013(11)
[8]中国能源中长期发展战略[J]. 杜祥琬. 中国经济和信息化. 2011(Z1)
[9]磁约束核聚变托卡马克等离子体与壁相互作用研究进展[J]. 吕广宏,罗广南,李建刚. 中国材料进展. 2010(07)
[10]国际热核实验反应堆（ITER）计划与未来核聚变能源[J]. 潘传红. 物理. 2010(06)
硕士论文
[1]杂质等离子体辐照对钨中氘滞留影响的研究[D]. 张瀚文.兰州理工大学 2019
[2]氮/氘等离子体辐照钨第一壁材料服役行为研究[D]. 张学希.兰州理工大学 2017
本文编号：3401907
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
氘氚聚变反应原理图
核技术方面从基础研究至工程可行性的转变。在异常情况下，PFCs的损坏仍然是托卡马克反应堆安全、成功和可靠运行的最严重问题之一。腔室内等离子体失稳将以各种形式发生，如破裂、边缘局部模式（ELMs）、逃逸电子（RE）和垂直位移事件（VDEs）。我国在等离子体与壁材料相互作用（PWI）方面的研究不管在试验还是理论知识方面都起步较晚，仅有少数研究所与大学涉及。PWI主要发生在等离子体与面向等离子体材料（PFM）组成的区域内，直接作用于PFM并通过表面材料进入到基体[11]，因此PFM的选择对PWI的运行过程有决定性的影响。图1.2ITER装置示意图[13-15]1.3聚变堆面向等离子体材料发展聚变反应发生时，聚变堆腔室内产生大量高束流、高热流等离子体及各种粒子。面向等离子体材料的原子可与高达14MeV能量的高能中子碰撞产生显著的级联效应出现间隙原子与空位等晶体缺陷，这些缺陷经过扩散会形成二次缺陷如位错环等。在复杂的服役环境下，PFMs遭受着高能、高热及高束流的等离子体环境带来的不利损伤，还要面临不同辐照条件下粒子的轰击，这一点在发生等离子体破裂与垂直位移事件时对材料的损伤更为明显[17-18]。PFMs的选择直接决定等离子体的稳定性及材料的抗辐照性能、使用寿命、与等离子体之间不同的相互作用，因此研究人员对PFMs性能方面的选择尤为重视，这也是面向等离子体材料一直发展至今的原因。
ι涞牧俳缥露龋?馐?得钨的溅射产额大大降低。与此同时，作为壁材料，钨内发生的沉积、刻蚀及滞留行为也不可避免，因此将钨材料中氢氦的脱附及滞留行为作为重点研究很有必要。1.4聚变等离子体与第一壁材料相互作用研究现状在强磁场约束的可控热核聚变装置托卡马克中，面向等离子体材料面临高热流等离子体的辐照、高束流粒子的轰击和聚变反应中高能中子辐照的苛刻的服役环境[20,35]。这些辐照作用导致PFM的晶体结构发生改变，使其表面产生不同程度的损伤，且注入的氢、氦粒子被部分缺陷所捕获、累积并造成一定程度的滞留。如图1.3为等离子体与器壁材料之间的相互作用，包括起泡、位错、再沉积、渗透、刻蚀及滞留行为。缺陷与聚变燃料相互作用对第一壁材料的滞留及渗透产生较大影响[18]，导致第一壁材料力学性能降低。氦主要作为聚变反应中大量产物以及在材料内中累积后形成氦泡，沿着晶界、位错等地方使材料发生氦脆现象[39]，这将严重影响聚变堆结构材料的使用寿命聚变装置的稳定运行。氦的聚集通过改变氢的扩散及捕获行为而影响氢的滞留，因此氦的滞留行为及定量测量成为研究人员广泛关注的热点之一[40]。图1.3不同辐照条件下对材料造成损伤的示意图1.4.1氦离子辐照对壁材料相互作用研究现状氦作为惰性气体，难溶于金属，因此研究氦辐照材料造成的辐照损伤需要人为地将氦引入至材料内。文献[41-42]中曾提到四种引入氦的方法，分别是：离子注入、中子辐照、氚衰变及高压充氦。离子注入方法[43]是利用KeV～MeV能量级的氦离子轰击材料，它的优点主要是速度快、可引入较高浓度的氦，对材料造成辐照损伤；中子辐照[44]会产
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国新能源发展现状研究[J]. 符茂伟. 智库时代. 2019(32)
[2]金属材料中氦泡研究的概述[J]. 赵安宇,程扬名. 浙江冶金. 2018(03)
[3]辉光放电发射光谱在材料成分-深度分析中的应用[J]. 梁家伟,韩逸山,庄素娜,劳珏斌,林伟轩,简玮,王江涌. 真空. 2017(05)
[4]中能高浓度氦离子注入对钨微观结构的影响[J]. 郭洪燕,夏敏,燕青芝,郭立平,陈济红,葛昌纯. 物理学报. 2016(07)
[5]核聚变堆用钨及钨合金辐照损伤研究进展[J]. 丁孝禹,罗来马,黄丽枚,罗广南,李萍,吴玉程. 稀有金属. 2015(12)
[6]国务院发布能源发展战略行动计划[J]. 本刊编辑部. 农村电气化. 2015(01)
[7]国际热核试验堆第一壁材料的研究进展[J]. 丁孝禹,李浩,罗来马,黄丽枚,罗广南,昝祥,朱晓勇,吴玉程. 机械工程材料. 2013(11)
[8]中国能源中长期发展战略[J]. 杜祥琬. 中国经济和信息化. 2011(Z1)
[9]磁约束核聚变托卡马克等离子体与壁相互作用研究进展[J]. 吕广宏,罗广南,李建刚. 中国材料进展. 2010(07)
[10]国际热核实验反应堆（ITER）计划与未来核聚变能源[J]. 潘传红. 物理. 2010(06)
硕士论文
[1]杂质等离子体辐照对钨中氘滞留影响的研究[D]. 张瀚文.兰州理工大学 2019
[2]氮/氘等离子体辐照钨第一壁材料服役行为研究[D]. 张学希.兰州理工大学 2017
本文编号：3401907
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hkxlw/3401907.html
