钨面对等离子体材料在稳态热负荷和瞬态热流协同作用下的损伤机理研究

Tungsten is the promising plasma facing material for the future fusion devices, whose damage behavior under fusion related conditions is one of the key issues in fusion development. During the operation of future fusion device, tungsten plasma facing material/component surface will subject to both steady-state heat load and cyclic transient heat flux, in which the steady-state heat load will significantly influence the transient thermal shock and fatigue damages of tungsten. The current related research almost focus on the single condition lacking of the combined conditions results, especially the damage mechanism analysis, so this application plans to use the finite element method to simulate the surface temperature and stress-strain distribution and evolution of W plasma facing material/component under both the steady-state heat load and transient heat flux loading, then perform the crack failure, virtual crack propagation and fatigue analysis combining with the material yield and fracture theory, to predict and explain the thermal shock and fatigue damage behavior and mechanism. Meanwhile, the electron-beam high heat load tests will be designed for identification and comparison with the simulation results, in order to clarify the damage mechanism of tungsten under both the steady-state heat load and transient heat flux loading. This program will provide the scientific basis and data accumulation for the tungsten plasma facing material properties strengthening, and the future operation parameter optimization easpecially the edge heat flux control.

钨是最有希望被用于未来聚变堆的面对等离子体材料，其服役损伤行为是当前研究的热点问题之一。在未来聚变装置运行条件下，钨面对等离子体材料部件表面将会同时承受稳态热负荷和周期性瞬态热流，其中稳态热负荷将对瞬态热流冲击和疲劳损伤行为产生重要影响。目前国内外相关研究多基于单项测试条件开展，缺少稳态热负荷和瞬态热流协同作用下的损伤行为结果，尤其是机理的分析，因此本申请拟通过数值模拟研究钨材料部件在稳态热负荷和瞬态热流协同作用下表面温度和应力-应变分布及随时间的动态演化过程，结合材料屈服断裂理论开展裂纹失效、虚拟裂纹扩展和疲劳寿命分析，并利用电子束高热流冲击和疲劳实验进行验证和对比，力图阐明稳态热负荷对瞬态热流冲击和疲劳损伤行为的影响及机理。本项研究不仅可为钨面对等离子体材料性能强化与改进提供数据参考，而且可为未来装置运行参数优化尤其是边界热流调控提供重要的科学依据。

钨是最有希望被用于未来聚变堆的面对等离子体材料，其在聚变复杂稳态和瞬态热流缓解下的损伤行为及使用寿命，是未来国际热核聚变实验装置ITER和CFETR装置物理试验运行和工程结构设计非常关心的热点问题之一，也是国内EAST装置全钨偏滤器长脉冲和高参数运行面临的，亟待阐明的关键问题之一。本项目通过有限元理论模拟分析，对比电子束实验测试结果，旨在揭示损伤行为机制并评估EAST装置金属壁损伤机制。研究任务基本按计划进行，采用有限元方法成功模拟了稳态热负荷和瞬态热流作用下的温度场和应力-应变场分布和演化规律，通过对比钨材料的韧脆转变及屈服特性，理解了钨表面变形，开裂和熔化等损伤机制，揭示了各种条件下的损伤阈值热流参数，阐明了稳态热负荷对瞬态热冲击和疲劳损伤的影响规律，瞬态热冲击开裂阈值与电子束热负荷实验结果吻合，高温下的变化趋势也与电子束热负荷实验测试结果类似；在此基础上，将该方法经验成功用于分析EAST装置原位复杂热流条件下金属壁（钨偏滤器和钼第一壁）材料部件表面开裂和熔化等损伤现象，结合物理热流诊断分布规律，对比材料组织结构变化，揭示了EAST上和下钨铜偏滤器靶板穿管部件在尖缘热流聚集效应下的熔化和开裂机制及阈值条件，以及其它位置如高场侧第一壁钼瓦和DOME区域钨铜平板部件在破裂瞬态热流下的熔化机制。项目达到了预期研究目标，研究成果为EAST装置实验运行热流调控和工程参数优化，以及ITER、CFETR以及未来的聚变堆物理和工程设计提供了重要的数据参考。