惰性氣體輻照對鎢中氘滯留及起泡行為的影響研究

《惰性氣體輻照對鎢中氘滯留及起泡行為的影響研究》是依託北京航空航天大學，由袁悅擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：惰性氣體輻照對鎢中氘滯留及起泡行為的影響研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：袁悅
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

聚變堆壁材料鎢中的氫同位素滯留及起泡問題是影響燃料循環再利用、壁材料使用壽命、電漿運行穩定性的關鍵問題。惰性氣體氦、氖、氬作為重要的組成存在於聚變環境中，其輻照將改變材料的組織結構特徵，進而影響材料中的氘滯留及起泡行為。然而，目前關於氖和氬對鎢材料中缺陷類型/數量及表面狀態影響的研究還比較少見，並且人們對這些因惰性氣體輻照誘導產生的材料狀態的變化對氘滯留及起泡行為的影響規律及機理還缺乏清晰、系統的認識。本項目將針對不同類型的鎢材料，開展多種條件的輻照實驗，結合速率理論及第一原理計算方法，系統研究惰性氣體輻照對鎢中氘滯留及起泡行為的影響。通過本項目的研究，闡明惰性氣體輻照對鎢中缺陷狀態/數量及表面狀態的影響規律及機理，並揭示這些因素對氘滯留及起泡行為的影響規律及機理，進而從惰性氣體輻照的角度，為尋找減緩鎢中氘滯留及起泡的有效方法提供參考和依據。

結題摘要

聚變堆壁材料鎢中的氘滯留及起泡行為不僅對燃料的循環再利用造成不利影響，而且對壁材料的使用壽命乃至電漿運行的穩定性構成威脅。鎢中氘滯留及起泡行為的規律、機理及其關鍵影響因素，屬於目前聚變材料及聚變工程領域密切關注的重要科學問題範疇。惰性氣體是聚變環境中重要的組成部分。氦是聚變反應的產物，氖、氬等元素通常作為輻射冷卻劑以緩解聚變堆偏濾器壁材料鎢表面的熱負荷。這些惰性氣體雜質的存在會使鎢材料周圍的電漿輻照環境發生變化，影響鎢材料中的缺陷狀態/數量及表面狀態等因素，進而對鎢中的氘行為產生影響。 本項目利用直線電漿裝置進行惰性氣體及氘電漿輻照實驗，採用多種分析與測試手段研究包括鎢材料表面形貌特徵變化、缺陷行為與氘滯留行為在內的鎢材料電漿輻照行為，用以評估惰性氣體對偏濾器鎢材料帶來的可能影響。結合第一原理計算，揭示惰性氣體對鎢中氘行為影響的物理微觀機制。 通過本項目的研究，發現惰性氣體可以起到誘導空位型缺陷的形成和填充空位型缺陷兩方面的作用，哪種作用占主導依賴於輻照條件；在較低的惰性氣體離子與氘離子比例範圍內，隨著該比例的增加，鎢中氘滯留量不斷減少；第一原理計算研究發現，惰性氣體元素自捕獲性質是其對氫同位素具有強捕獲作用的主要原因；提出並證實了惰性氣體氖預輻照或氖摻雜是減緩鎢中氘滯留及起泡的有效方法。 本項目研究成果為深入理解聚變堆鎢基壁材料在氘及惰性氣體輻照下的缺陷/組織結構演化、氘滯留行為及微觀物理機制奠定基礎，所提出的氖摻雜方法為減少壁材料損傷、延長壁材料使用壽命、減少燃料滯留提供重要參考。