低活化高晶化温度金属玻璃的离子束辐照损伤研究

First mirror is a key part for nuclear fusion optical diagnostic. At present the main candidate materials are metals such as stainless steels, Mo, and W. Despite of the many advantages for excellent thermal conductivity, metals suffer from serious problems: the reflectivity of stainless steels deteriorates severely after particle bombardments; it is extremely difficult to polish the surface to optical grade for high-melting-point and hard metals such as Mo and W; surface roughness that leads to the decreased reflectivity is easily induced due to the difference in sputtering capabilities in differently-oriented grains. Our previous work showed that some metallic glasses have better anti-sputtering and irradiation-resistance than crystalline materials. The present project selects metallic glasses with low radio-activity and high crystallization temperature to candidate for the first mirror materials. The thermal effects in fusion reactor will be simulated by high-current pulsed ion beam with different energy densities. Synergetic effects from plasma irradiation, neutron bombardments, and thermal effects will be mimicked by heavy ion and high intensity pulsed ion beam irradiation. The present work will explore the possibility of using metallic glasses with low radio activities and high crystallization temperatures as the first mirror materials for fusion reactors.

第一镜是核聚变等离子体光学诊断的重要组成部分，目前第一镜的主要候选材料为金属材料（如不锈钢、钼、钨等），尽管金属材料具有优良的导热性能等优点，但是也存在很多问题，如不锈钢在粒子的轰击下反射率下降明显，钨和钼等高熔点高硬度金属难以加工获得高质量镜面，反射率较低；由于多晶材料不同取向晶粒间溅射率不同，粒子轰击使得样品表面可观察到明显晶界，从而使反射率下降。我们的前期工作也表明，金属玻璃的耐溅射和耐辐照损伤能力好于晶体材料。本项目选择低活化、高晶化温度的金属玻璃作为第一镜的候选材料，利用不同能量密度的强流脉冲离子束辐照模拟聚变堆的热效应，利用重离子束和强流脉冲离子束辐照模拟未来聚变工况下的等离子体辐照、中子辐照和热效应协同作用对金属玻璃的结构和性能的影响，探索低活化、高晶化温度的金属玻璃作为聚变堆第一镜候选材料的可能性。

金属玻璃具有短程有序、长程无序的亚稳态结构特征，有比晶体材料更好的耐辐照特性，有可能成为面向等离子体（尤其是第一镜材料）的候选材料。本项目选择不同能量（40keV-3MeV）的He2+、H+、Ar12+和强流脉冲离子束辐照Zr基、Cu基、Fe基、Ni基等高晶化温度金属玻璃、晶体W和V合金，辐照剂量范围0-1.6×1018/cm2（0-68dpa），研究金属玻璃的辐照损伤行为。结果表明，连续的离子束辐照后，不同基的金属玻璃表面都没有明显的辐照损伤现象发生，剂量达到1.61018 ions /cm2（68dpa）时金属玻璃仍保持非晶相为主要结构，在He泡层区域观察到少量的晶化相产生。而对于金属W和V合金来说，在剂量为5×1017 ions/cm2时已经起泡剥落，当剂量达到1×1018ions/cm2时甚至出现多层起皮剥离现象。强流脉冲离子束辐照后，Zr基金属玻璃保持非晶相为主要结构，300次辐照后，Zr基金属玻璃表面出现“花瓣”状的辐照损伤现象，同时有少量晶化相产生。而金属钨表面则出现了明显裂纹。由于金属玻璃的短程有序和长程无序结构、内部存在大量的自由体积、没有位错和晶界等晶体缺陷，各向同性的结构能够容纳更多的离子，同时也能够缓解强流脉冲离子束辐照产生的应力。金属玻璃耐离子束辐照损伤的能力明显优于晶体材料（金属W和V合金）。高晶化温度的金属玻璃有更好的离子束辐照结构稳定性。项目的完成检验了低活化、高晶化温度金属玻璃作为未来聚变装置第一镜候选材料的可能性，为聚变反应成功运行提供理论依据和技术支持。该项目的研究意义不仅仅在于寻找未来聚变装置第一镜候选材料，还可以将金属玻璃的应用拓展到空间反射镜等领域。.项目按计划完成，共发表期刊论文13篇，其中SCI收录的论文10篇。培养研究生10人，已毕业5人，在读5人。参加国内外学术会议16人次，其中国际会议7人次，国内会议9人次。