氘等离子体注入对钨铼合金微观力学性能的影响机理研究

As the most promising candidate of plasma facing materials in the fusion reactor, tungsten (W) has to work in extreme conditions, which include not only high heat flux and high energy neutron irradiation that transmutes W to rhenium, but also the bombardment of hydrogen isotope and helium plasma that introduce mechanical damages to materials. Due to the relation of mechanical properties with the safety issue of the reactor, it’s very important to investigate the variation of micro-mechanical properties with the implantation of plasma for tungsten-rhenium (W-Re) alloy. Based on the earlier investigation of deuterium implantation to single crystal tungsten, the effect mechanism of deuterium (D)implantation on the micro-mechanical properties of W-Re alloy will be investigated though experiment and microscopic simulation. The prepared W–Re samples will be exposed to a low-energy, high-flux D plasma. Thermo desorption spectra and nuclear reaction analysis will be used to acquire the retention and distribution of D in W-Re samples. Based on the experimental results, the uneven distributed micro stress and strain, and micro damages after D implantation will be investigated by crystal plasticity finite element method. This will be beneficial for studying the mechanism of D implantation induced micro deformation, which cannot be done by conventional experiment and finite element analysis. This investigation will lead to a thorough understanding of the variation of micro-mechanical properties of W-Re alloy after D implantation, as well as a better understanding of W as plasma facing material.

钨是目前最有前途的聚变堆面向等离子体的候选材料，服役环境十分严酷：除了高热负荷以外，一方面是高能中子辐照，钨将嬗变生成铼元素；另一方面是氢同位素/氦等离子体的轰击等，将对材料造成力学性能损伤，直接影响聚变装置的安全性。因此，研究钨铼合金在等离子体作用下的微观力学性能变化有重要意义。在前期氘等离子体注入对单晶钨微观力学性能影响研究基础上，本项目拟通过实验和模拟计算，研究氘等离子体注入对钨铼合金微观力学性能的影响机理。将低能、高束流密度的氘等离子体注入钨铼合金中，通过热解析和核反应分析获取材料内氘的滞留量和深度分布。在此基础上，结合晶体塑性有限元，系统研究氘注入后材料中微观应力、应变的非均匀分布，以及裂纹、气泡等微观损伤，完成常规实验与有限元分析无法解决的注氘后材料微观变形机理问题研究。本研究将加深人们对注氘后钨铼合金微观力学性能变化的理解，从而对钨作为面向等离子体材料有更深入的认识。

钨是目前最有前途的聚变堆面向等离子体的候选材料，服役环境十分严酷：除了高热负荷以外，一方面是高能中子辐照，钨将嬗变生成铼元素；另一方面是氢同位素/氦等离子体的轰击等，将对材料造成力学性能损伤，直接影响聚变装置的安全性。因此，研究钨铼合金在等离子体作用下的微观力学性能变化有重要意义。本项目通过实验和模拟计算，研究了氘等离子体注入对钨铼合金微观力学性能的影响机理。将低能(约38eV)、高束流密度(约6.8E22 D/m2s)的氘等离子体注入钨铼合金(铼含量分别为0、1、3、5、10wt.%)中，通过热解析和辉光放电光谱分析获取材料内氘的滞留量和深度分布，利用扫描电镜和聚焦离子束等手段研究了注入不同剂量（7.2E23 D/m2~7.1E26 D/m2）的氘等离子体后，不同铼含量样品表层的变形和微裂纹区域的微观形貌。研究发现，1）铼的加入促使了钨表面起泡的提前发生，且随着铼含量的增加，起泡趋势更明晰，泡破裂的趋势增强，但是最终的氘滞留量基本不随铼含量变化而变化，各成分的钨铼合金样品中的氘滞留量均随着注入量的增大而增大，未观测到滞留量饱和现象；2）铼含量增大时，氘在材料表层的滞留量较大，而在里层滞留量较小；3）通过对合金材料微观变形和力学性能的影响研究，获得了注入前后晶体塑性的变化情况，揭示了氘等离子体注入后，材料的3个关键塑性参数产生了变化，包括初始硬化模量、初始屈服应力和饱和应力都有所增加，都预示着微观上，材料变得较“硬”。说明氘注入是通过影响这些参数，进而使钨铼合金微观力学性能产生变化的。总之，尽管铼含量对总的氘滞留量没有显著影响，但其促进了起泡，会导致钨材料表面局部导热性能恶化，温度升高，进而有可能破坏钨材料，降低其服役寿命。需要在后续钨材料作为面向等离子体材料应用工程研究中关注这一现象，加强对钨铼合金的起泡行为进行缓解或抑制手段的研究。