氚在钨/钼中渗透滞留行为的理论研究

During the cladding design of plasma vacuum chamber in China Fusion Engineering Test Reactor, W/Mo is used as the plasma facing material (PFM). However, large quantities of tritium are introduced into the reaction chamber under deuterium–tritium reaction. Tritium permeates into material leading to its retention in material, which directly impacts on the safety and economy in a fusion reactor. At the same time, high energy neutrons with 14.1 MeV from deuterium–tritium reaction directly irradiate W/Mo. This produces serious atomic displacement damage, which further results in the presence of various defects such as self-interstitial atoms (SIA), vacancies, and voids. Also, impurities such as Re, Os, and He are produced from transmutation reactions in W/Mo owing to the existance of high energy neutrons. In this project, based on first-principles methods combined with statistical physics models and diffusion theory, we systematically investigate the interaction between tritium and vacancy, SIA, and transmutation impurities, as well as the stabilities of these defects in W/Mo. We study the diffusion properties of tritium and the effect of defects/impurities on tritium diffusion in W/Mo, and further calculate the concentration of tritium-vacancy complexes. Finally, we discuss the influence of pressure/time/material thickness on the permeation and retention of tritium considering all these factors in W/Mo. Our studies will provide data and reference for establishing the evaluation method of resident volume of tritium in PFM W/Mo.

在磁约束核聚变工程等离子体真空室包层设计中，拟采用钨/钼作为面向等离子体材料。但是，氘-氚反应使得大量氚充入反应室中，氚在材料中渗透并产生滞留，这直接关系着未来聚变堆运行的经济性与安全性。同时，氘-氚反应产生的14.1 MeV高能中子对钨/钼进行辐照轰击，产生严重的原子离位损伤导致各种缺陷像自间隙原子、空位以及空洞产生，而且高能中子还会发生核嬗变反应产生杂质铼、锇和氦等。本项目采用第一原理结合统计物理模型和扩散理论，研究钨/钼中氚与空位、自间隙原子、嬗变杂质的相互作用和热力学稳定性，研究氚在钨/钼中的扩散特性、以及这些缺陷和杂质存在时对氚在钨/钼中扩散的影响，计算氚-空位复合物在不同温度下的浓度，讨论这些因素存在时压强/时间/材料厚度对氚在钨/钼中渗透滞留的影响。为建立氚在面向等离子体材料钨/钼中驻留量的评估方法提供数据和参考。

在磁约束核聚变工程等离子体真空室包层设计中，拟采用钨/钼作为面向等离子体材料。但是，氘-氚反应使得大量氚充入反应室中，氚在材料中渗透并产生滞留，这直接关系着未来聚变堆运行的经济性与安全性。同时，氘-氚反应产生的14.1 MeV高能中子对钨/钼进行辐照轰击，产生严重的原子离位损伤导致各种缺陷像自间隙原子、空位以及空洞产生，而且高能中子还会发生核嬗变反应产生杂质铼、锇和氦等。本项目采用第一原理结合统计物理模型和扩散理论，研究了钨/钼中氚与空位、自间隙原子、嬗变杂质的相互作用和热力学稳定性，研究了氚在钨/钼中的扩散特性、以及这些缺陷和杂质存在时对氚在钨/钼中扩散的影响，计算氚-空位复合物在不同温度下的浓度，讨论了这些因素存在时压强/时间/材料厚度对氚在钨/钼中渗透滞留的影响。具体计算得出了氢同位素在本征钨/钼中的形成能、溶解度、扩散能垒、扩散系数以及渗透速率随温度的变化关系。给出了了H-He在本征钨/钼中协同相互作用以及空位对H-He在钨/钼中协同作用的影响。得出了各向同性应力对氢在本征钨/钼中溶解和扩散的影响。在等轴应变和温度双重条件存在时，研究了氢同位素在钨/钼中的扩散特性。最后，我们给出了氚在本征钨/钼中与杂质元素Re和Os以及合金化元素的相互作用。这些研究结果为建立氚在面向等离子体材料钨/钼中驻留量的评估方法提供了数据和参考。在该基金资助下(NSFC, Grant No. 11575153)，共发表论文15篇，其中SCI收录14篇，EI收录1篇。