模拟边界等离子体辐照下低活化钢刻蚀与燃料滞留行为研究

In recent years it has been proposed to use a bare reduced activation ferritic martensitic (RAFM) steels wall as plasma-facing material (PFM) in remote regions of the first wall. To assess if bare RAFM steels can be used as PFM in the main chamber of future fusion device, the interactions of RAFM steel with the simulated boundary plasma needs to be investigated experimentally. In this project, using laboratory plasma, the interactions between the RAFM steel grades CLAM, CLF-1 and EUROFER97 with energetic plasma species shall be studied. Primary topics are the evolution of erosion, microstructure and surface morphology as a function of incident energy, ion fluence, sample temperature and the interrelated hydrogen isotope diffusion, retention, desorption. And the influence of heavy ion bombardment to simulation the damage of neutron on fuel retention and trapping will be studied. The achieved results will be compared with the published data based on other RAFM steels, such as EUROFER97 and F82H. Based on the research results, the erosion and fuel retention performance of CLAM and CLF-1 steels as first wall materials, and the service life, failure mode as well as fuel inventory will be predicted, and the boundary condition of CLAM and CLF-1 steels as first wall materials in fusion device will be defined.

近来提出使用低活化铁素体马氏体钢作为聚变堆远离偏滤器第一壁主壁材料，针对低活化钢与等离子体相互作用的重要性及现阶段CLAM、CLF-1钢作为第一壁主壁材料基础研究的不足，本项目拟在实验室条件下模拟边界等离子体特点，系统地研究不同等离子体辐照条件下CLAM、CLF-1以及EUROFER97低活化钢材料表面形貌、微观结构、溅射产额的变化，以及这种变化对燃料在低活化钢材料中的扩散、滞留与释放的影响，同时考察重离子模拟中子辐照损伤对等离子体辐照后燃料滞留与捕获的影响，并与现有EUROFER、F82H数据进行对比。在此基础上总结CLAM以及CLF-1两种低活化钢作为第一壁主壁材料表面刻蚀及燃料滞留变化的规律，预判装置中低活化钢第一壁主壁材料使用寿命、失效形式、燃料滞留并界定其服役边界条件。

针对现阶段CLAM、CLF-1钢、钨基合金作为第一壁主壁材料基础研究的不足，本项目利用实验室直线等离子体源，先后研究了模拟边界等离子体、杂质注入以及重离子模拟中子辐照条件下，国内CLAM、CLF-1低活化钢、热轧钨、W-ZrC、W-La2O3、以及W-Re材料的表面形貌、微观结构、溅射产额的变化及其对材料燃料刻蚀、滞留以及起泡行为影响。研究发现，氘等离子体辐照后低活化钢的刻蚀率均低于纯铁理论值，氘等离子体辐照引起的钨富集结构、表面形态及粗糙度的变化共同导致低活化钢的溅射率随等离子体通量、能量和样品温度的升高而降低，这对于低活化钢作为第一壁材料服役有助于降低刻蚀。样品温度大于470 K时，几种低活化钢的氘滞留总量均比纯钨的低出1-2个量级，且随入射氘通量、样品表面温度和粗糙度的增大而降低。利用3.5 MeV的Fe离子以及3.0 MeV的Ni离子模拟中子辐照，实验结果表明低活化钢在辐照损伤区域出现明显的非晶化团簇，晶界边界结构开始模糊并形成大量的位错和位错团结构。辐照损伤至2 dpa并未引起样品中俘获氘缺陷的变化，随着离子辐照所致位移损伤值的增大，样品中氘总滞留量呈现增长趋势， 4.05 dpa辐照损伤样品的氘总滞留量比原始样品高出约34.8%，但与本论文中铁离子辐照钨块材料相比，CLF-1钢中氘总滞留量增长量低出一个量级，由此可见低活化钢材料具有明显的抗中子辐照性能。钨合金中，W-Re的氘滞留总量最高，W-ZrC次之，而W-2wt.% La2O3与纯钨的氘滞留量大致相同且最低。模拟边界杂质注入条件下，掺杂He将抑制钨与钨合金的表面起泡，明显降低氘滞留量；掺杂N2则加剧起泡行为，显著增加氘滞留；掺杂Ar则不造成氘滞留量的明显变化；掺杂N2及Ar均加剧材料刻蚀，掺杂He则对刻蚀的影响不大。对比之下，W-La2O3具有更好的耐刻蚀性能，而且杂质掺杂对其氘滞留的影响相对较小。以上研究成果可为后续 ITER、CFETR装置中高参数下不同种类和结构的第一壁材料刻蚀与燃料滞留行为预测提供重要基础数据与参考。