H/He离子对聚变面向等离子体材料W辐照损伤的协同作用研究

In fusion reactors, tungsten (W) has been proposed to be one of the best candidates for plasma facing materials due to its high melting temperature, low sputtering yield, low hydrogen solubility and good thermal performance. W suffers from the bombardments by 14 MeV neutrons and high-flux (1e22-1e24/m2.s) hygrogen and helium ions, leading to serious W degeneration. The enhanced erosion and dust formation of W components can have fatal influence on the stability of fusion plasmas in the fusion reactor. The understanding of the behavior of W materials under the irradiation by hydrogen and helium ions is a major issue of material-related stake of fusion reactors. In this work, H/He ions generated from ICP rf plasma source are used to irradiate polycrystalline W materials. By combining CAFM with SEM, EBSD, FIB and nano-indentation measurements, the defect diffusion under different irradiation conditions is compared. The surface degeneration of W irradiated by H+/He+, H+, and He+ ions is analyzed. Combining with First-principles Method, synergistic irradiation damage effects of H/He ions to polycrystalline W materials are studied. Mechanisms of irradiation damage and its evolution under H+/He+ irradiation are revealed. This work undoubtedly makes a great progress on the understanding of W behavior in fusion environment and provides a useful reference for further design of armour materials in fusion device.

钨材料由于具有高熔点、低溅射率、低氚滞留以及良好的热学性能，被认为是最有前景的一种面向等离子体材料。聚变反应中，钨材料要承受14 MeV中子与低能（几十到几百个eV）、大流强（1e22-1e24/m2.s）H、He离子轰击，导致剧烈的辐照损伤，从而影响聚变反应器中等离子体的稳定性。因此，认识H、He离子协同作用下的钨材料辐照损伤行为至关重要。申请人拟采用射频感性耦合等离子体源产生H/He离子束对多晶钨材料开展复合辐照研究，通过CAFM检测与SEM、EBSD、FIB和纳米压痕等技术结合，比较不同辐照条件下多晶钨材料的缺陷分布，分析H/He离子复合辐照与单一离子辐照产生辐照损伤的差异，并结合第一性原理模拟，探索H/He离子对多晶W材料辐照损伤的协同作用，揭示H/He离子共同作用下材料内部损伤的形成与演化机制。这对深入理解钨材料在聚变环境下的辐照行为及聚变装置中装甲材料的进一步设计至关重要。

在实现聚变能商业化的道路上，聚变装置中面向等离子体材料的研究成为了重中之重。由于具有高热导、低溅射、低氢滞留等物理特性，钨被认为是一种最具有应用价值的面向等离子体材料。因此，开展面向等离子体材料和聚变环境下等离子体相互作用研究，具有重要的科学意义和应用价值。本项目主要的研究工作以及所取得的成果包括：进一步优化和完善了大功率等离子体辐照实验平台中离子源和法拉第屏的结构，将大功率等离子体辐照实验平台离子流强提高到1e23ions/m2·s，可实现对样品的长时间大剂量稳态辐照；系统开展了H/He离子对多晶钨样品在辐照过程中的辐照损伤差异的研究，对辐照后钨丝样品的表面形貌和溅射率分别进行了表征和计算；进行了高温条件下He泡的形成分析与机制探索；研究了He辐照产生的纳米丝状结构随着H离子辐照剂量增加的演变规律，探索了H离子辐照下He泡与钨纳米丝结构的微观演化行为，研究发现H/He辐照下钨纳米丝的退化和He泡的破裂及钨原子的扩散有关，脱附效应使得纳米丝密度出现显著下降，钨原子的扩散行为促进了钨纳米丝直径的增大，钨纳米丝中He泡及空位缺陷的存在，会导致表层的钨原子处于一个相对不稳定的状态，从而诱导低能离子辐照下的溅射效应。这些工作对进一步理解钨材料的辐照损伤机制，优化钨材料设计等方面具有重要参考意义。