氢氦等离子体辐照条件下钨再结晶行为及其抑制方法研究

Recrystallization caused by transients and steady-state heat loads can lead to the degradation of the material properties and is therefore one of the most serious issues for tungsten armor in fusion devices. Hydrogen (H) and Helium (He) plasma irradiation results in H/He impurities and other irradiation defects in W. Their interaction with dislocations and grain boundaries can significantly affect the recovery and recrystallization of W. Recent studies showed that H/He plasma irradiation played a role in suppressing W recrystallization. However, the influence of H/He implantation and desorption, and the evolution of irradiation defects on dislocation and grain boundary movements is not yet fully understood. In this project, we plan to carry out various H/He plasma exposures and heat loads on rolled W, combined with molecular dynamics and kinetic Monte Carlo simulations, to study the influence and underlying mechanisms of H/He plasma irradiation on the recovery and recrystallization behavior of W. Further, effective methods to suppress W recrystallization will be proposed.

聚变堆壁材料钨在热负荷作用下的再结晶行为将导致力学性能退化，严重影响其服役性能及使用寿命。氢氦等离子体辐照所引入的氢氦杂质及辐照缺陷与钨中位错及晶界的相互作用，是关联其对钨回复及再结晶行为影响规律的核心问题。初步研究表明氢氦等离子体辐照可对钨的再结晶行为起到一定的抑制作用，但氢氦杂质的注入及脱附、辐照诱导缺陷的形成及演化，对本征位错及晶界运动影响的物理机制还有待深入系统的研究。本项目针对聚变堆壁材料所面临的氢氦等离子体辐照及热负荷工况条件，开展系统的辐照实验及分析表征工作，并结合计算模拟，从氢氦杂质及辐照缺陷对钨中位错及晶界运动影响的角度，揭示氢氦等离子体辐照对钨回复及再结晶行为的影响规律及机理。在此基础上进一步探索减缓/抑制钨再结晶行为的有效方法，为延缓壁材料钨的服役性能退化及延长其使用寿命提供指导。

聚变堆壁材料钨在高热负荷下会发生再结晶，再结晶所伴随的显微组织结构的变化，将导致钨材料韧脆转变温度升高以及力学性能退化，因此，钨材料的再结晶行为是影响其服役性能乃至等离子体稳定性的重要问题。聚变氢氦等离子体辐照所引入的氢氦杂质及辐照缺陷与钨中位错及晶界的相互作用，是关联其对钨回复及再结晶行为影响规律及机理的关键问题，但相关的研究还比较匮乏，有待深入研究。.本项目综合考虑聚变堆壁材料所面临的氢氦等离子体辐照及辐射冷却剂氖掺杂等因素，开展系统的氢/氦/氖辐照实验、高温退火及分析表征工作，并结合计算模拟，获得一系列研究成果。发现氢对钨再结晶行为的影响比较微弱，这与高温退火过程中大量氢发生了热脱附无法有效干预晶界迁移有关；发现氦/氖对钨材料再结晶动力学的迟滞作用，揭示了氦/氖团簇通过阻碍大角晶界的迁移从而抑制再结晶的物理本质，且更高的浓度和更深的分布通常会产生更强的再结晶抑制效果；阐明氦与氖对钨再结晶抑制作用的强弱有一定差异，主要归因于它们在钨中的扩散率和自捕获能力不同，氦相对于氖具有高的扩散率和低的自捕获能，使其更容易在晶界上形成尺寸较大的团簇/纳米气泡，导致氦可对晶界施加更强的钉扎作用，表现出更强的抑制再结晶效果；发现氦通过抑制钨材料的再结晶动力学过程，降低再结晶程度，可减缓热冲击下宏观裂纹形成的概率，从而提高钨材料的抗热冲击能力。.本项目研究成果为深入理解聚变环境中氢/氦/氖对钨材料再结晶行为的影响规律及机理提供了重要参考，发现并证实的氦/氖抑制钨材料再结晶提高抗热冲击性能的方法，对延缓钨基壁材料服役性能退化、延长其使用寿命、维护聚变装置的运行安全均具有重要意义。