《聚變環境中晶體取向對金屬鎢輻照行為的影響》是依託廈門大學，由冉廣擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：聚變環境中晶體取向對金屬鎢輻照行為的影響
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：冉廣
- 依託單位：廈門大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
金屬鎢具有獨特的特性被認為是托卡馬克/聚變堆中面向電漿用材料的最佳候選者之一。但鎢在各種帶能粒子的輻照下將形成表面濺射、表面起泡/起皺/起皮、輻照脆化/硬化/腫脹等系列問題。本課題組已觀察到具有特定晶體取向的金屬鎢經離子輻照後晶體表面始終保持光滑且表面濺射率非常低。因此，本項目擬在此基礎上，深入系統研究金屬鎢在低能重離子輻照和高能氫、氦與鎢離子作用下的輻照行為，以獲得其微觀結構在時間與空間上的詳實實驗數據。通過對低能重離子各種輻照參數下晶體取向對金屬鎢輻照行為影響的一致性問題的研究和各種晶體取向鎢晶體表面回響差異的本質因素的探討，以及氦氫鎢離子輻照作用下缺陷在各種取向鎢晶體中的表征與衡量，以探尋離子輻照下晶體取向對鎢輻照行為影響的最基礎問題和現象的科學解釋，揭示晶體取向對金屬鎢輻照損傷行為影響的機理。本項目的立項不僅更加深入理解金屬鎢的輻照性能而且對輻照損傷科學理論的發展具有重要意義。
結題摘要
鎢具有高熔點和導熱率，低熱膨脹係數、氚滯留和濺射產額，高自濺射閥值等優異性能，被認為是托卡馬克/聚變堆中面向電漿用材料的最佳候選者之一。但服役中會遭受各種帶能粒子輻照，降低其性能。因此研究其輻照行為尤為重要。本項目採用掃描電鏡與聚焦離子束耦合系統和美國阿貢國家實驗室的離子加速器與透射電鏡在線上設施分別採用低能聚焦Ga+離子束和400keV Kr+離子束實時原位研究了鎢的微觀結構在時間與空間上詳實的演化行為。針對單一能量離子輻照導致位移損傷與離子濃度沿深度呈高斯分布的不足，採用了階梯能量He+離子輻照，獲得了位移損傷和氦離子濃度從表面到特定深度的均勻分布。根據所獲得的實驗數據，採用分子動力學等初步計算模擬了輻照行為。研究表明，聚焦Ga+離子誘導形成了表面納米針，其分布狀態與晶體取向有關，尺寸與輻照參數成函式關係。而在經階梯能量He+離子輻照和退火的鎢表面觀察到自生長的納米錐結構。納米錐的分布特性、密度和形態與晶體取向具有顯著關係，(111)晶粒表面上的納米錐密度最高，(001)晶粒表面納米錐密度最小，而(101)晶粒則介於之間。納米錐的尺寸與退火時間成冪函式關係。晶體取向顯著影響表面顯微硬度，在原始態和輻照態樣品中，靠近(0 0 1)取向的晶粒具有最高的顯微硬度。而退火處理使得輻照樣品的顯微硬度值在0~1h內急劇下降，而後1~3h內下降速率降低，最後趨於平穩。同時靠近(111)比靠近(001)取向晶粒的顯微硬度下降更快。實時原位研究Kr+離子束輻照時的鎢微觀結構演化行為得知，當劑量達1.0×1014 ions/cm2，位錯環開始形成，且網狀位錯密度隨Kr+離子劑量增加而增大。繼續增大劑量則觀察到1.3nm平均尺寸氣泡，但提高輻照劑量與溫度，長大不明顯，表明Kr氣泡長大能壘較大。對已有理論公式修正得到了一個計算氣泡尺寸的經驗公式。在輻照實驗基礎上，初步模擬計算了鎢的輻照行為，例如探討了鎢中平衡態和亞穩態[100]對稱傾斜晶界的空位偏析能量。本項目研究不僅深入理解了鎢的輻照行為而且對輻照損傷科學理論發展具有重要意義。
