近表层空位缺陷调控钨表面损伤的模拟研究及验证

As a plasma facing material (PFM), tungsten is exposed to low-energy high-flux helium plasma during operation, which leads to surface damage, especially the formation of fuzz nanostructures. The formation of tungsten fuzz is a big concern since it may affect the lifetime of tungsten and the steady operation of the plasma. However, there is no effective way to address this issue. Our previous study has shown that the formation of vacancies near surface may help to suppress fuzz formation. We will combine theoretic simulations and experimental verification together to investigate the feasibility of this new method and seek the optimized parameters for controlling the fuzz formation. We will use high-energy tungsten ions bombardment to create high-density vacancies at near surfaces. The influence of these vacancies on helium bubble nucleation and surface morphology evolution will be studied. Molecular Dynamics and Kinetic Monte Carlo simulations will be used together to study the mechanism of helium release back to the surface. The study seeks to understand how vacancy density and depth profile affects helium bubble evolution. The study will help the design of helium-resistance PFM.

钨作为聚变堆面向等离子体材料（PFM），在服役期间将受到低能高束流氦等离子体的辐照，产生表面损伤，尤其是形成“绒毛状”纳米丝结构（fuzz），危害钨的使用寿命和等离子体的稳态运行，是必须解决的关键问题。但是目前还没有能有效抑制fuzz形成的方法。本项目预研工作表明近表层形成的空位可能抑制fuzz形成，由此提出通过在近表层形成“氦的有效捕获层和表面释放通道”的新方法来抑制fuzz的形成。本项目拟采用理论模拟辅以实验验证的方式，探究这种调控方法的有效性，寻找最佳调控参数并研究调控机理。项目拟利用高能钨离子注入的方式在钨近表层引入高密度空位缺陷，考察引入的空位缺陷对氦泡形核以及表面形貌演化的影响；结合分子动力学和动力学蒙特卡洛模拟，研究表面释放通道形成机理，阐释空位浓度和深度分布对氦泡形核演化的影响规律。以期为研发聚变堆耐氦辐照材料提供理论指导和参考依据。

钨作为聚变堆面向等离子体材料，在服役期间将受到低能高束流氦等离子体的辐照，产生表面损伤，危害钨的使用寿命和等离子体的稳态运行，是必须解决的关键问题。本项目探索了一种新型的调控氦致损伤的方法，即利用高能离子辐照，在钨近表层产生不同数密度和深度分布的空位缺陷对氦进行有效捕获，建立氦扩散的阻挡层和表面释放通道，对近表层氦泡演化进行调控，抑制深层大氦泡的形成，从而缓解氦致钨表面损伤。项目研究了氦泡与表面、氦原子/氦泡与氦泡之间互相作用机理，建立了离位损伤和氦等离子体辐照的动力学蒙特卡洛模型，探究了空位缺陷数密度和深度分布对氦泡形核的影响规律，验证了通过空位缺陷来调控钨中近表层氦泡演化的可行性，并给出了最佳调控参数。研究成果揭示了钨中离位损伤和氦等离子体辐照协同作用下，近表层氦泡的形核和生长机理和规律，为聚变堆耐氦材料开发提供新思路，为中子和氦等离子体辐照协同作用的研究提供基础数据和支撑。代表性成果如下：. 1. 揭示了氦原子在应力场中的扩散机理，给出了高压氦泡生长的动力学图像。研究了温度、单轴应变以及应变梯度对钨中氦原子扩散行为的影响，发现高压氦泡产生的应力场能够显著强化氦原子向氦泡扩散，从动力学上解释了高压氦泡的生长机理。. 2. 给出了氦泡融合的条件和相关机理，发现氦泡的相对位置、温度、He/V、氦泡初始间距这4个因素都会对氦泡的融合产生较大影响。. 3. 揭示了空位缺陷数密度和深度分布对氦泡演化的影响规律，建立了入射离子能量和剂量与有效氦捕获量之间的关系。发现利用能量为50 keV的钨离子对钨表面进行预辐照，形成100 appm空位即可对聚变堆运行条件下钨近表层的氦泡进行很好的调控，使氦泡尺寸较小，且深度分布小于10nm，抑制了深层大氦泡的形成。. 4. 研究了典型氦致损伤fuzz中氦泡的生长和破裂行为，发现晶界通过影响位错环运动而使表面呈现出不同形貌。