由边缘局域模导致的钨基材料疲劳损伤行为的实验研究与数值模拟

Edge Localized Modes (ELM) are common for H-mode (high confinement mode) plasmas and bring severe fatigue damage to tungsten. Relevant research has been attracted great attention from experts in plasma wall interaction(PWI) field. This work concerns numerical and experimental study on ELM damage behavior of ITER grade pure tungsten(stress relieved and recrystallized) and W-Y2O3 alloy. Firstly, ELM thermal shock test will be simulated by an electron beam facility to observe the fatigue crack initiation cycle and crack propagation in different materials. Secondly, based on elasto-plastic stresses analysis, thermal fatigue modeling will be performed to calculate the crack initiation cycle. Last, modeling statistics will be compared with experimental results to explore the relationship between ELM damages and material properties, such as the diversity of microstructure and thermal-mechanical properties caused by various annealing state and the addition of alloying element. This work is expected to clearly understand ELM fatigue damage behavior of tungsten materials. The obtained research achievement is expected to provide the development of new PFM with scientific principles.

聚变等离子体高约束模式下频繁出现的边缘局域模(Edge Localized Modes，ELM)会导致钨表面严重的疲劳损伤，相关研究目前正得到聚变堆材料和器壁与等离子体相互作用领域的极大关注。本项目拟通过高热负荷实验和有限元模拟两种手段研究ITER级纯钨（去应力状态和再结晶状态）、细晶强化W-Y2O3合金的ELM导致的疲劳行为。利用电子束装置模拟ELM，确定几种典型的钨基材料出现疲劳开裂的周期，裂纹的萌生、扩展；采用ANSYS有限元分析软件，进行弹塑性应力分析，并评判其疲劳性能，计算出ELM条件下，各材料出现疲劳损伤的周期，并与实验结果进行比较和相互验证，探索热疲劳损伤与材料不同状态以及合金元素的添加引起的微观组织、热力学性能之间的关系。本项目的实施，一方面可以更清楚地描述和理解钨材料在ELM作用下的损伤行为，另一方面，所获得的研究成果也可以为钨基新材料的研发提供指导。

聚变堆苛刻环境下的材料技术是制约受控核聚变能否实现的重要因素，而面对等离子体材料在未来聚变堆中的服役性能尤为关键。在聚变堆运行中，PFM会不断受到聚变反应产生的离子、电子、中性粒子的轰击，其面临的最大挑战之一是由于上述粒子带来的高热流，因此抗高热负荷性能是PFM的重要指标。研究表明，PFM在服役过程中表面出现再结晶是不可避免的，这些再结晶后的材料仍然要经受频繁的ELM冲击。本项目即针对两种状态的ITER级纯钨（去应力态、再结晶态）在ELM作用下的损伤行为进行实验和理论研究。利用电子束高热负荷装置模拟ELM瞬态热冲击，采用ANSYS有限元分析软件进行弹塑性应力分析，将实验结果与模拟结果进行比较。结果表明在基底温度为20C与热负载为1ms的1.27GW/m2的条件下，两种钨材料的辐照表面都达到了2500C的高温，在材料的加热阶段，由于材料辐照区域受热膨胀而受到外围材料的约束，造成了辐照区域与非辐照区域交界处较大的应力，当材料进入冷却阶段，该应力逐渐减小。在辐照加载区域设置预置裂纹，裂纹将垂直于加载表面向下扩展，对于在加载区域和非加载区域交界处的预置裂纹，裂纹将向加载区域中心方向扩展，因为其既会受到拉应力而使其扩展，也会受到剪切力使其改变方向。本课题探索了去应力钨和再结晶钨的抗热冲击辐照性能，共发表SCI收录文章3篇。