基于离子注入标记法研究再沉积钨层对壁材料中的氢同位素滞留的影响

In the D - T fusion reactor, hydrogen isotopes retention is one of the keys to the economical and safe operation of the reactor. As the most eroded tungsten would redeposit back on the surface of plasma facing materials, and the main form of hydrogen retention in tungsten is in the redeposited structure, it would be a critical issue to study the retention in redeposited tungsten for the future demonstration reactor and commercial reactor with long-term operation. .However, the traditional quantitative analysis relying on the marker layer with an overlayer simulating the plasma facing material can hardly own the same surface and thermal properties as the solid materials. Therefore, this project will focus on a more objective marking method, and study the redeposited tungsten as well as its effect on the hydrogen isotopes retention in tungsten components. .This will be helpful to better understanding the detailed process of plasma and wall interaction, and directly provide an experimental reference to the wall conditioning aiming at retention removal and the structure optimization of the W/Cu components, even to the designing of EAST with full-tungsten wall, the Chinese Fusion Engineering Testing Reactor and the demonstration reactor.

未来聚变堆设计中多采用钨作为面向等离子体材料。托卡马克实验装置被溅射的第一壁钨绝大部分会近距离再沉积，而氢在钨中滞留的主要形式是协同溅射钨生长成富氢的钨再沉积层。由于聚变工程堆和商业堆都将长期运行，钨中的氢同位素滞留必然会影响燃料效率、等离子体密度控制等，这是影响反应堆经济和安全运行的决定性问题。由于托卡马克中壁表面的刻蚀沉积过程同时存在，需要借助标记进行定量分析，而传统的标记层方法不能完全模拟块体材料表面。本项目针对穿管型和平板型钨铜部件中块体材料表面的刻蚀再沉积问题，设计并建立适用于全钨壁的独特离子注入标记方法，依托EAST和KSTAR两个托卡马克装置，研究不同等离子体参数和温度下钨再沉积的演化物理机制，并理解钨再沉积层对氢的同位素在钨中滞留的影响和机理，以期为移除滞留的壁处理方法及钨部件结构优化提供切实有效的实验依据，并直接为全钨壁EAST及CFETR和DEMO的设计工作提供参考。

长期运行的聚变工程堆和商业堆中，面向等离子体材料中的氢同位素滞留会影响燃料效率、等离子体密度控制等，这是影响反应堆经济和安全运行的决定性问题。由于托卡马克中壁表面的刻蚀沉积过程同时存在，需要借助标记进行定量分析，而传统的标记层方法不能完全模拟块体材料表面。为保证晶粒尺寸、方向，热传导及缺陷分布最大可能保持一致，本项目针对EAST/CFETR钨铜部件中块体材料表面的刻蚀再沉积问题，对钨材料进行离子注入标记。根据国内主要托卡马克装置EAST的实际运行情况，确定以F 注入钨作为深度标记，最深可导入约3.3µm，即以1.5µm为实验深度时，可以对1.8µm以内厚度的沉积及1.5µm的刻蚀以核反应分析为主的离子束分析实现定量表征。依托EAST和KSTAR两个托卡马克装置进行F深度标记的钨样品辐照实验，结果表明中平面等离子体边界处，约2400s的辐照时间产生约0.015µm厚的杂质沉积，而下偏滤器打击点位置约9.5s的辐照时间产生约0.160µm深的刻蚀，即利用深度标记的方法可以对托卡马克装置第一壁表面沉积进行分析，而对于打击点附近的较大的形貌变化，期以光谱诊断相结合进行表征。壁材料表面再沉积层的微观结构影响滞留的深度分布，一般不同孔隙率的模拟再沉积钨中的氘滞留量随孔隙率下降而减少，而表面有微晶结构模拟沉积层会吸附更大量的燃料；以碳为主的杂质沉积显示氘主要沉积在再沉积层表面，较内部区域则沉积较少的氘，而以钨为主的沉积仍需要后续原位诊断验证。注入杂质作为深度标记的方法结合原位可移动的光谱诊断分析系统，可能成为未来托卡马克装置中可实现的原位、实时的第一壁表面形貌、成分及燃料滞留诊断方法，可为移除滞留的壁处理方法及钨部件结构优化提供切实有效的实验依据，并直接为全钨壁EAST及CFETR和DEMO的设计工作提供参考。