钨及其合金与低能高束流氘等离子体相互作用研究
发布时间：2021-01-05 21:40
氘（D）-氚（T）热核聚变具有大规模实现能源可持续生产的潜力。正在建造的国际热核聚变实验堆（ITER）及中国聚变工程实验堆（CFETR）是用于验证氘-氚聚变能源可行性的磁约束等离子体聚变装置。ITER和CFETR的一个重要部件便是偏滤器,偏滤器的功能是从等离子体束中排出聚变反应产生的氦以及杂质。偏滤器必须能够承受10 MW.m-2的热通量以及高达1024 m-2·s-1的粒子轰击。钨（W）具有较高的氢溅射阈值与良好的热性能,是偏滤器及第一壁最佳的备选材料之一。研究钨及其合金与等离子体的相互作用以及定量测量氢同位素在其中的滞留对于面向等离子体壁材料的研发和装置的安全运行均有重要意义。本工作利用课题组自行研制的涉氚等离子体发生装置（CEPT）,在低能（25 eV/D）、高束流（3.71 × 1021 D·m-2·s-1）氘等离子辐照工况环境下测试了不同工艺制备纯钨的抗辐照性能及氘滞留性能,研究了纯钨在长时间持续辐照下的表面辐照损伤演化以及氘滞留量的变化情况,并考察了 Y2O3掺杂对纯W抗辐照及氘滞留性能的影响。研究结果显示:（1）不同工艺制备的三种W材料—化学气相沉积（CVD-W）、粉末冶...
【文章来源】：西华大学四川省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．３常见的核聚变反应??Ｆｉｇ．?１．３?Ｃｏｍｍｏｎ?ｎｕｃｌｅａｒ?ｆｕｓｉｏｎ?ｒｅａｃｔｉｏｎｓ??
?鹤与低能高束流氘等离子体相互作用研究???２理论基础??钨基材料中的滞留是许多过程（包括注入、扩散、氘俘获）间复杂的协同作用的结??果。图２．１．反映了等离子体与表面的相互作用过程。当离子束中的离子撞击到样品表面??会被表面中和，中和后大部分会直接反射，剩下的部分渗透到钨的内部。在程序升温的??过程中脱离缺陷成为间隙原子扩散到表面，在表面重新组合为分子离开材料。??本章描述上述过程以及在辐照装置实现注入的更多细节。２．１节概述线性等离子体??发生装置（ＣＥＰＴ）中产生的等离子体的成分；２．２讨论等离子体与钨表面的相互作用；??２．３节讨论钨中氘的保留过程；２．４节对等离子体导致样品表面损伤的过程进行了讨论。??０??〇?０?０?０??〇〇?〇俘获〇??．?解吸?：Ｙ??／？?０??Ｉ?ＡＪ°〇?０．°?°??氘等离子束?＾?〇?？?????注入区约ｎｍ??图２．１等离子体与钨相互作用示意图??Ｆｉｇ．２．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｐｌａｓｍａ?ａｎｄ?ｔｕｎｇｓｔｅｎ??２．１等离子体参数??作用在钨靶上的离子束的离子成分、离子束流密度和离子能量能够决定氘在钨表面??的反射、穿透和表面损伤的形成。??６??
士学位论文???Ｅｌｅｙ－Ｒｉｄｅａｌ反应［３３］：吸附在钨表面的一个原子直接与气相或者等离子体反应（非热??表面反应）复合为氘分子从表面释放。表面释放的氘分子与反射的氘原子结合造成粒子??的回流，其中很大一部分与离子束中的离子发生电荷交换，电荷交换产生的离子可以加??速向靶目标，从而导致实际的离子通量可能略高于计算值。??２．３钨中氘滞留??氘滞留是指氘从等离子体中流失并滞留到壁材料中的整个过程，氘在材料中的行为??主要有溶解、扩散及氘俘获三个方面。氘在溶质状态下的能量图如图２．３所示［３４］。一般??来说真空中的氘分子在钨表面离解为氘原子，克服表面化学吸附能进入样品内部，在溶??质状态下，克服迁移势垒在间隙位置间跳跃，在溶解过程中损失一部分能量（溶解焓），??在样品中运动过程中被各种晶体缺陷俘获或到达样品表面并解吸。辐照过程中，氘离子??在表面被中和为带有动能的氘原子直接进入样品几纳米的注入区，继而在样品内部运动。??钨中氘俘获能为钨中的氘与缺陷复合形成化学吸附的能量，而热脱附能激活能通常定义??为钨中缺陷处结合的氘原子从化学吸附转变为物理吸附并从钨表面释放的过程所需要??的能量。??ｖａｃｕｕｍ?ｉ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｉ?ｌａｔｔｉｃｅ?ｉｎｔｅｒｉｏｒ??ｌＥ°２２．３ｅＶ?＼?；?ＥＭ?Ｅ?给?Ｅ＆?＼?＼?；??厂＼?；?Ａ??ｖａｃａｎｃｙ?ｃｌｕｓｔｅｒ??图２．３钨中氢的能量图（：饿分子离解能，ＥＣ：表面化学吸附能，ＥＳ：溶解洽，Ｅｍ：迁移势垒，??丑；；、￡＝、五；＾、：氘在位错、空位、空位团簇及氘分子在空位团簇的俘获能）??Ｆｉｇ．?２．３?Ｅｎｅｒｇｙ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｈｙｄｒｏｇ
【参考文献】：
期刊论文
[1]钨中氘热脱附特性的定量研究[J]. 王维,张学希,叶小球,陈长安,王鹏,周燕燕,高涛. 稀有金属材料与工程. 2018(12)
[2]核聚变第一壁用W-ZrC材料研究进展与展望[J]. 张涛,吴学邦,谢卓明,李祥艳,刘瑞,王先平,方前锋,刘长松. 中国材料进展. 2018(05)
[3]国际热核聚变实验堆用管内电缆导体力学行为研究进展[J]. 岳动华,张兴义,周又和. 科学通报. 2018(04)
[4]面向等离子体钨基材料的辐照损伤行为研究现状[J]. 吴玉程,林锦山,罗来马,昝祥,朱晓勇,陈俊凌. 机械工程学报. 2017(08)
[5]烧结温度对ZrC-Y2O3复合增强细晶钨组织与性能的影响[J]. 李鹏飞,范景莲,章曼,陈卓华,田家敏,段涛. 中国有色金属学报. 2016(09)
[6]化学气相沉积法制取异型钨制品研究[J]. 马捷,张好东,毕安园,王从曾,周美玲. 兵工学报. 2006(02)
[7]吸附浓缩/热脱附技术进展[J]. 陈云霞,梁冰,王国俊. 分析测试技术与仪器. 1999(01)
[8]从TPD谱图求解Ed、ko的等脱附速率法[J]. 杨上闰,徐卫星. 物理化学学报. 1989(05)
博士论文
[1]高热/粒子流作用下钨材料的损伤行为研究[D]. 袁悦.清华大学 2013
硕士论文
[1]等离子体辐照效应对钨材料表面改变的研究[D]. 李超.北京工业大学 2015
[2]面向等离子体细晶粒钨块体材料的制备及辐照效应的研究[D]. 张浩.华中科技大学 2012
本文编号：2959346
【文章来源】：西华大学四川省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．３常见的核聚变反应??Ｆｉｇ．?１．３?Ｃｏｍｍｏｎ?ｎｕｃｌｅａｒ?ｆｕｓｉｏｎ?ｒｅａｃｔｉｏｎｓ??
?鹤与低能高束流氘等离子体相互作用研究???２理论基础??钨基材料中的滞留是许多过程（包括注入、扩散、氘俘获）间复杂的协同作用的结??果。图２．１．反映了等离子体与表面的相互作用过程。当离子束中的离子撞击到样品表面??会被表面中和，中和后大部分会直接反射，剩下的部分渗透到钨的内部。在程序升温的??过程中脱离缺陷成为间隙原子扩散到表面，在表面重新组合为分子离开材料。??本章描述上述过程以及在辐照装置实现注入的更多细节。２．１节概述线性等离子体??发生装置（ＣＥＰＴ）中产生的等离子体的成分；２．２讨论等离子体与钨表面的相互作用；??２．３节讨论钨中氘的保留过程；２．４节对等离子体导致样品表面损伤的过程进行了讨论。??０??〇?０?０?０??〇〇?〇俘获〇??．?解吸?：Ｙ??／？?０??Ｉ?ＡＪ°〇?０．°?°??氘等离子束?＾?〇?？?????注入区约ｎｍ??图２．１等离子体与钨相互作用示意图??Ｆｉｇ．２．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｐｌａｓｍａ?ａｎｄ?ｔｕｎｇｓｔｅｎ??２．１等离子体参数??作用在钨靶上的离子束的离子成分、离子束流密度和离子能量能够决定氘在钨表面??的反射、穿透和表面损伤的形成。??６??
士学位论文???Ｅｌｅｙ－Ｒｉｄｅａｌ反应［３３］：吸附在钨表面的一个原子直接与气相或者等离子体反应（非热??表面反应）复合为氘分子从表面释放。表面释放的氘分子与反射的氘原子结合造成粒子??的回流，其中很大一部分与离子束中的离子发生电荷交换，电荷交换产生的离子可以加??速向靶目标，从而导致实际的离子通量可能略高于计算值。??２．３钨中氘滞留??氘滞留是指氘从等离子体中流失并滞留到壁材料中的整个过程，氘在材料中的行为??主要有溶解、扩散及氘俘获三个方面。氘在溶质状态下的能量图如图２．３所示［３４］。一般??来说真空中的氘分子在钨表面离解为氘原子，克服表面化学吸附能进入样品内部，在溶??质状态下，克服迁移势垒在间隙位置间跳跃，在溶解过程中损失一部分能量（溶解焓），??在样品中运动过程中被各种晶体缺陷俘获或到达样品表面并解吸。辐照过程中，氘离子??在表面被中和为带有动能的氘原子直接进入样品几纳米的注入区，继而在样品内部运动。??钨中氘俘获能为钨中的氘与缺陷复合形成化学吸附的能量，而热脱附能激活能通常定义??为钨中缺陷处结合的氘原子从化学吸附转变为物理吸附并从钨表面释放的过程所需要??的能量。??ｖａｃｕｕｍ?ｉ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｉ?ｌａｔｔｉｃｅ?ｉｎｔｅｒｉｏｒ??ｌＥ°２２．３ｅＶ?＼?；?ＥＭ?Ｅ?给?Ｅ＆?＼?＼?；??厂＼?；?Ａ??ｖａｃａｎｃｙ?ｃｌｕｓｔｅｒ??图２．３钨中氢的能量图（：饿分子离解能，ＥＣ：表面化学吸附能，ＥＳ：溶解洽，Ｅｍ：迁移势垒，??丑；；、￡＝、五；＾、：氘在位错、空位、空位团簇及氘分子在空位团簇的俘获能）??Ｆｉｇ．?２．３?Ｅｎｅｒｇｙ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｈｙｄｒｏｇ
【参考文献】：
期刊论文
[1]钨中氘热脱附特性的定量研究[J]. 王维,张学希,叶小球,陈长安,王鹏,周燕燕,高涛. 稀有金属材料与工程. 2018(12)
[2]核聚变第一壁用W-ZrC材料研究进展与展望[J]. 张涛,吴学邦,谢卓明,李祥艳,刘瑞,王先平,方前锋,刘长松. 中国材料进展. 2018(05)
[3]国际热核聚变实验堆用管内电缆导体力学行为研究进展[J]. 岳动华,张兴义,周又和. 科学通报. 2018(04)
[4]面向等离子体钨基材料的辐照损伤行为研究现状[J]. 吴玉程,林锦山,罗来马,昝祥,朱晓勇,陈俊凌. 机械工程学报. 2017(08)
[5]烧结温度对ZrC-Y2O3复合增强细晶钨组织与性能的影响[J]. 李鹏飞,范景莲,章曼,陈卓华,田家敏,段涛. 中国有色金属学报. 2016(09)
[6]化学气相沉积法制取异型钨制品研究[J]. 马捷,张好东,毕安园,王从曾,周美玲. 兵工学报. 2006(02)
[7]吸附浓缩/热脱附技术进展[J]. 陈云霞,梁冰,王国俊. 分析测试技术与仪器. 1999(01)
[8]从TPD谱图求解Ed、ko的等脱附速率法[J]. 杨上闰,徐卫星. 物理化学学报. 1989(05)
博士论文
[1]高热/粒子流作用下钨材料的损伤行为研究[D]. 袁悦.清华大学 2013
硕士论文
[1]等离子体辐照效应对钨材料表面改变的研究[D]. 李超.北京工业大学 2015
[2]面向等离子体细晶粒钨块体材料的制备及辐照效应的研究[D]. 张浩.华中科技大学 2012
本文编号：2959346
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/benkebiyelunwen/2959346.html
