钨薄膜中合金化元素对氢滞留起泡行为的影响研究

托卡马克装置中面对等离子体材料（PFM）的选择是聚变堆能否实现长期受控安全运行的关键之一。钨（W）被认为是托卡马克装置及未来反应堆中PFM的重要候选材料。W的氢泡问题直接影响等离子体稳定性以及PFM 的使用寿命，已经成为目前急需解决的关键问题。W的合金化是改善W材料性能的重要手段，可望成为抑制W中氢泡形成的有效方法。本项目以W为基体材料，选取Mo、Cr、Nb、B作为合金化元素，通过磁控溅射的方法制备W薄膜及其合金薄膜，利用低能大束流直线等离子体发生装置对薄膜材料进行H等离子体辐照实验，研究在H等离子体辐照下W合金中H的滞留起泡行为，试图揭示不同的合金化元素对W中H滞留起泡行为的影响规律及其微观机制，寻找抑制W中氢泡形成的有效途径，为聚变装置中PFM的设计、制备、应用提供实验基础和参考依据。

项目研究的任务是以Mo、Cr、Nb、B等作为W的合金化元素，通过磁控溅射的方法制备W合金薄膜，利用低能大束流直线等离子体发生装置对W合金薄膜材料进行H等离子辐照效应实验模拟，研究在H等离子体辐照效应下W合金中的H的滞留起泡行为，揭示不同的合金化元素对W中H滞留起泡行为的影响规律及其微观机制。我们已经成功制备了满足要求的W薄膜，利用国内外现有的离子辐照平台和直线等离子体发生装置上开展了相关条件的辐照实验，主要研究成果有：. (1) 完成了磁控溅射制备W及W合金化薄膜样品的工艺探索，得到了不同溅射参数对薄膜沉积的影响，并在此基础上，成功制备了厚度达到10μm，组织致密，具有特定取向的W及含Mo、Cr、Nb、B合金化元素的W薄膜样品。. (2) 利用热解析实验研究了W及W合金化样品中的氘的热脱附行为，初步得到了合金化元素Mo、Cr、Nb、B对W的中D、He辐照效应的影响结果。通过对等离子体辐照后W的表面进行研究，得到了不同元素对W辐照效应的影响以及W表面的辐照损伤与晶粒取向之间的对应关系。. (3) 对比W块体和W薄膜的辐照行为，发现微观结构对W的等离子体辐照损伤影响很大。常规W薄膜和具有纳米柱状结构的W薄膜样品，相比较W块体辐照损伤阈值更高。低能大束流的H离子辐照下，W薄膜和合金化W薄膜都不容易发生辐照起泡等现象。 . (4) 通过项目的实施，已发表12篇SCI论文，参加7次国际学术研讨会和2次国内学术研讨会，培养毕业了2名博士研究生，6名硕士研究生和1名本科生。另有4名博士研究生和2名硕士研究生在读。. 项目的研究结果表明合金化元素对W的H辐照效应会产生明显的影响，同时薄膜材料相对块体材料具有抗H辐照损伤的优势，有可能成为提高W抗辐照性能的途径之一，是聚变装置中PFM的设计、制备、应用的重要参考。.