《聚變電漿條件下鎢材料表面微納尺度損傷研究》是依託清華大學，由劉偉擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：聚變電漿條件下鎢材料表面微納尺度損傷研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：劉偉
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
在電漿作用下壁材料會產生損傷失效行為，減少壁材料的使用壽命，影響中心電漿的運行，因此電漿與壁材料的相互作用是托卡馬克聚變裝置運行過程中一個必須解決的關鍵問題之一，尤其在以長脈衝高參數運行的新一代聚變裝置中更是如此。本申請針對電漿作用下壁材料的損傷問題，採用低能、高束流氘電漿輻照，研究在不同能量、束流和劑量條件下鎢材料微納尺度的損傷行為，認識鎢材料微納尺度的損傷規律，揭示鎢材料表面（亞微米、微米）氣泡、納米泡和納米組織形成機理，闡明表面氣泡、納米泡和納米組織之間的關聯，為壁材料研發和托卡馬克裝置運行提供理論指導。
結題摘要
項目利用掃描電子顯微鏡（SEM）、電子背散射衍射（EBSD）和透射電子顯微鏡（TEM）等技術對低能、高束流氘（D）電漿輻照條件下的鎢進行測試，研究在不同能量、束流和劑量條件下鎢材料微納尺度的損傷行為，揭示鎢材料表面（亞微米、微米）氣泡、納米泡和納米組織形成機理，進而闡述了表面氣泡、納米泡和納米組織之間的關聯。 通過研究主要得到以下結論：1. 高束流強度D電漿作用下，W材料表面會發生高溫起泡行為，隨著輻照劑量升高，表面起泡行為更加嚴重。該結果表明，表面起泡是服役條件下D粒子輻照最主要的表面損傷形式，很難通過提高材料表面溫度的方法來消除其影響。2. 根據W材料塑性變形機制建立了新的表面起泡模型，很好地解釋表面起泡行為的晶體取向依賴性。由於W材料中位錯的滑移方向為[111]方向，因此析出的氣體更容易引起[111]表面發生變形，導致[111]表面上起泡行為最嚴重，而在[001]表面上表面氣泡較少。位錯的滑移面為{110}面，因此表面氣泡會出現垂直於[110]方向的台階。通過調控W材料的表面取向，採用具有明顯[001]織構的W材料，可以有效抑制D粒子輻照引起的表面起泡行為。3.低能D電漿作用下，W材料表面出現表面納米結構有兩方面原因：納米尺度表面起泡和表面氧化層濺射。近表面D氣泡會引起納米尺度表面起泡，而產生明顯的表面納米結構。另外，W材料表層氧化物在D粒子作用下發生濺射也會產生表面納米結構。在低溫條件下表面納米結構是由納米尺度表面起泡和表面氧化物濺射導致的；而在高溫條件下近表面D氣泡不會引起納米尺度表面起泡現象，出現的表面納米結構主要是由表面氧化物濺射導致的。4. 穩態和脈衝電漿輻照作用下，脈衝電漿攜帶的瞬態高熱流會對W材料表面起泡行為有促進和抑制兩方面的影響。當熱流密度較低時，瞬態熱流會導致表面氣泡內部的氣體壓強增大，從而促進表面氣泡的形成。當熱流密度較高時，瞬態高熱流會抑制表面起泡行為。
