合金化元素（Ti/Nb/Re）对W中He起泡行为的影响及机理研究

The choice of plasma faced material (PFM) in Tokamak is one of the key factors which determines the long steady state operation and the safety of a device. Tungsten is now regarded as the most promising PFM candidates for the future Tokamak. However, the damage induced by irradiations limits its application performance and affect the plasma confinement, which has been one of the most important issues to be addressed.Helium bubble formation in tungsten is an important part of the damage caused by plasma irradiation. Alloying is one of the effective ways to improve W properties. In this project, titanium, niobium and rhenium are selected as the alloying elements based on the considerations including their bingding energy to helium in tungsten, their effects on the migration of helium in tungsten, their interaction with vacancies in tungsten and their effects on the lattice structure of tungsten. Through plasma irradiation experiments by using linear plasma generator with low-energy and large-fluence and other equipments, the effects of alloying elements on helium bubble formation as well as their mechanism will be investigated. Based on the results, the potential to improvement the irradiation resistence of tungsten through alloying elements will be evaluated in order to find effective ways to suppress the helium bubble in tungsten.The research result will be provided as a reference for design, fabrication and application of PFM in fusion devices.

托卡马克装置中面对等离子体材料（PFM）的选择是聚变堆能否实现长期受控安全运行的关键之一，钨（W）被认为是重要的候选材料。W的辐照损伤问题直接影响PFM 的服役性能以及等离子体的稳定控制，已经成为目前急需解决的关键问题，其中等离子体辐照造成的W中He泡问题是辐照损伤的重要方面。W的合金化是改善W材料性能的重要手段。本项目从合金化元素与W中间隙位He之间的结合能、合金化元素对He在W中扩散行为的影响、合金化元素与W中空位的相互作用以及合金化元素对钨晶格结构的影响等方面，选取具有代表性的Ti、Nb、Re作为合金化元素，利用低能大束流直线等离子体发生装置等实验手段，进行等离子体辐照实验，研究这些合金化元素对W中He的滞留起泡行为的影响规律及其机制，评估合金化作为提高钨抗辐照性能的潜力或可行性，寻找抑制W中He泡的有效途径，为聚变装置中PFM的设计、制备、应用提供实验基础和参考依据。

本项目选取Ti、Nb、Re 作为W合金化掺杂的代表元素，制备了掺杂Ti、Nb、Re的W材料，同时还制备了掺杂V、Cr、Ta的W材料，并对不同的样品进行了详细的形貌、成分和结构的表征，在此基础上，利用ECR源以及LaB6源低能等离子体发生装置、以及中科院兰州近物所320 keV高电荷态离子综合研究平台对上述样品进行了不同条件下氦辐照实验，系统地研究了多种He辐照条件下不同W合金化样品中He 滞留起泡的差异，阐述了不同性质的合金化元素对W中He滞留起泡行为的影响规律及其微观机制，为寻求通过合金化抑制W中He 泡进而提高Ｗ抗辐照性能从而为聚变托卡马克装置中PFM 的设计、制备、应用提供实验基础和参考依据。主要研究内容和成果如下：.根据项目的研究内容和目标，利用粉末冶金方法成功制备了W及Ti、Nb、Re掺杂浓度分别为2%和5%的W合金样品，对W的Ti、Nb、Re等合金化掺杂的样品进行了表征分析，得到了不同掺杂样品中Ti、Nb、Re的溶解形态。同时还制备了掺杂Cr、V、Ta等元素的W合金样品并进行了相应的表征。.对纯W及掺杂合金化元素的W合金样品进行了不同条件下的He辐照，对辐照后的样品表面进行SEM观察，得到了合金化元素对W表面的辐照损伤及起泡行为的影响。其中，为了更好的理解多元合金化元素在辐照过程中起到的作用，特定条件下W块体的辐照效应对本项目的实施至关重要，在项目执行过程中进行了相应的辐照实验研究。通过对比辐照后纯W和W合金样品，发现在有些辐照条件下合金化元素对W的辐照行为影响较大，表现为W合金样品辐照损伤阈值更高，相同辐照条件下不容易发生辐照起泡等现象。而在另一些辐照条件下，合金化元素对He起泡的影响则不明显。.利用热解析实验研究W及W合金化样品中He的热脱附行为，得到了合金化元素Ti、Nb、Re等对W中He辐照效应的初步影响结果。此外，Cr、V及Ta等合金化元素是近年来研究的热门，有可能成为抑制W在离子辐照下氦泡的形成、并提高抗辐照性能的新元素，因此也被纳入到该研究项目当中。.在项目执行过程中，已发表13篇SCI论文，培养毕业了2名博士研究生，5名硕士研究生。通过项目的实施，取得了大量的研究结果及实验数据，这些研究结果和实验数据有助于进一步深入理解W中的He行为及机理，为改善W材料的服役性能和研发高性能聚变堆面对等离子体材料提供了有益的参考。