钨基面向等离子体材料的热疲劳行为及对辐照效应的影响

Fusion energy is one of the ideal energy sources for its safety, environment friendship, and almost unexhausted reserves. The problem of anti-radiation of the plasma facing materials (PFM) is one of the unsolved problems to use fusion energy. PFM surface will suffer from the high heat loading and the high irradiation flux of plasma. Tungsten is thought to be the best candidate for PFM. There are large numbers of investigations focused on the relations of anti-radiation properties with the alloying, grain structure and orientation of tungsten. However, the temperatue undulation will exist all the time during a fusion reactor run. It is seldom reported on the mechanism of thermo fatigue, the crack distribution and its influences on the irradiation effects, except some phenomena of heat shock, such as evaporation, melting erosion, and cracking. In the present project, the behaviors of thermo fatigue will be investigated with an E-beam test system of thermo fatigue. The characteristic, distribution and the mechanism of thermo fatigue cracks will be discussed. Further more, the irratiation tests will be carried out for realizing the influeces of crack distribution on the irradiation effects.

“聚变能”是储量极丰富的安全绿色能源，是人类最理想的未来能源之一。面向等离子体材料(PFM)的抗等离子体辐照问题是“聚变能”利用中有待解决的关键问题之一。PFM需要抵抗等离子体辐照以及高热负荷，钨被认为是PFM的最佳候选材料，在钨的合金化、组织结构和晶体取向等因素对表面抗辐照性能的影响方面已经有大量的相关研究报导。然而，PFM在服役期间要承受持续的温度波动。虽然关于高热冲击引起PFM钨表面开裂、熔蚀以及蒸发等现象也有许多报导，但涉及钨表面热疲劳机理、热疲劳裂纹特点和分布、及其对后续等离子体辐照效应的影响等方面的研究很少。本项目拟利用电子束热疲劳试验系统开展钨表面的热疲劳行为研究，分析钨表面热疲劳裂纹特点及分布规律，探讨热疲劳裂纹形成机制。并进一步开展等离子体辐照实验，了解不同裂纹分布特点对辐照效应的影响情况。

“聚变能”因其储量近乎无限并且绿色安全而可能成为人类的终极能源。面向等离子体材料(PFM)的抗等离子体辐照问题是“聚变能”利用中有待解决的关键问题之一。PFM需要抵抗等离子体辐照以及高热冲击，虽然钨被认为是PFM的最佳候选材料而备受研究人员所关注，但涉及钨表面热疲劳机理及其对后续等离子体辐照效应的影响等方面的研究很少。.本项目结合实验和理论模拟开展了钨表面的热疲劳行为研究。利用电子束热疲劳试验系统进行了钨表面的热疲劳试验，分析了钨表面热疲劳效应特点，探讨了热疲劳裂纹形成机制。然后进一步开展等离子体辐照实验，研究了热疲劳裂纹对辐照效应的影响。同时，开展了钨表面热冲击的理论模拟，分析了热冲击载荷下钨表面不同情况的热冲击应力状况。.项目研究取得了以下重要结果：.1、掌握了热负荷参数和钨的组织结构形貌等因素对热疲劳效应的影响规律。.2、揭示了钨基PFM 热疲劳行为的微观机制。.3、了解了钨表面热疲劳裂纹对后续等离子体辐照效应的影响规律，发现并初步验证了微裂纹对氘等离子体辐照起泡具有抑制作用。.4、改进了热疲劳裂纹损伤定量评价方法，并成功应用于热疲劳试验结果的量化分析研究。.5、提出了微叠片结构的钨PFM方案，并通过电子束热疲劳试验和计算模拟，验证了叠片结构对钨PFM抗热疲劳的有效性。.6、证明了钨表面法向微裂纹可作为“逸气通道”对降低表层氢氦积累的作用。通过在钨表面制做显微沟槽，利用氦离子辐照实验验证了微叠片结构对钨PFM抗辐照起泡的有效性。.上述研究结果中，有关热疲劳效应影响规律及机理的掌握，使我们更深入地了解了钨的热疲劳行为的物理图像，为后续研发PFM提供了可靠的理论基础；热疲劳定量评价方法的改进，为后续研发PFM提供了更有效的实验分析工具。所提出的叠片结构的钨基PFM方案，将有可能成为同时解决PFM抗热冲击损伤和抗等离子体辐照起泡的有效方案，为最终攻克聚变装置壁材料关键问题提供一个新的途径。