聚变等离子体条件下钨材料表面微纳尺度损伤研究

The tokamak wall materials will suffer damages when exposed to plasma, which will reduce the lifetime of wall materials and has negative effects on the operation of plasma, so the plasma wall interactions will be one of the important problems that must be solved during the operation of fusion devices, especially for the new generation devices operating with long pulse and high parameter plasma. This application is aimed to solve the damages problem of wall materials exposed to plasma. We will irradiate the tungsten materials with low temperature high flux Deuterium plasma, and research on the micro- and nano- scale damage behavior of tungsten materials under different ion energy, flux and fluence conditions. The research objectives are to understand the micro- and nano- scale damage law of tungsten,reveal the formation mechanisms of blisters(submicro- and micro scale), nano bubbles, and nano structure, and clarify the relationship between blisters, nano bubbles and nano structure. The result of this research can provide theoretical guidance for the research and design of materials and the operation of tokamak devices.

在等离子体作用下壁材料会产生损伤失效行为，减少壁材料的使用寿命，影响中心等离子体的运行，因此等离子体与壁材料的相互作用是托卡马克聚变装置运行过程中一个必须解决的关键问题之一，尤其在以长脉冲高参数运行的新一代聚变装置中更是如此。本申请针对等离子体作用下壁材料的损伤问题，采用低能、高束流氘等离子体辐照，研究在不同能量、束流和剂量条件下钨材料微纳尺度的损伤行为，认识钨材料微纳尺度的损伤规律，揭示钨材料表面（亚微米、微米）气泡、纳米泡和纳米组织形成机理，阐明表面气泡、纳米泡和纳米组织之间的关联，为壁材料研发和托卡马克装置运行提供理论指导。

项目利用扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）等技术对低能、高束流氘（D）等离子体辐照条件下的钨进行测试，研究在不同能量、束流和剂量条件下钨材料微纳尺度的损伤行为，揭示钨材料表面（亚微米、微米）气泡、纳米泡和纳米组织形成机理，进而阐述了表面气泡、纳米泡和纳米组织之间的关联。.通过研究主要得到以下结论：1. 高束流强度D等离子体作用下，W材料表面会发生高温起泡行为，随着辐照剂量升高，表面起泡行为更加严重。该结果表明，表面起泡是服役条件下D粒子辐照最主要的表面损伤形式，很难通过提高材料表面温度的方法来消除其影响。2. 根据W材料塑性变形机制建立了新的表面起泡模型，很好地解释表面起泡行为的晶体取向依赖性。由于W材料中位错的滑移方向为[111]方向，因此析出的气体更容易引起[111]表面发生变形，导致[111]表面上起泡行为最严重，而在[001]表面上表面气泡较少。位错的滑移面为{110}面，因此表面气泡会出现垂直于[110]方向的台阶。通过调控W材料的表面取向，采用具有明显[001]织构的W材料，可以有效抑制D粒子辐照引起的表面起泡行为。3.低能D等离子体作用下，W材料表面出现表面纳米结构有两方面原因：纳米尺度表面起泡和表面氧化层溅射。近表面D气泡会引起纳米尺度表面起泡，而产生明显的表面纳米结构。另外，W材料表层氧化物在D粒子作用下发生溅射也会产生表面纳米结构。在低温条件下表面纳米结构是由纳米尺度表面起泡和表面氧化物溅射导致的；而在高温条件下近表面D气泡不会引起纳米尺度表面起泡现象，出现的表面纳米结构主要是由表面氧化物溅射导致的。4. 稳态和脉冲等离子体辐照作用下，脉冲等离子体携带的瞬态高热流会对W材料表面起泡行为有促进和抑制两方面的影响。当热流密度较低时，瞬态热流会导致表面气泡内部的气体压强增大，从而促进表面气泡的形成。当热流密度较高时，瞬态高热流会抑制表面起泡行为。