预置辐照损伤下钨中嬗变元素铼/钽偏析与氘行为研究

Tungsten is considered as the leading candidate for plasma facing material in fusion devices. Transmutation elements rhenium and tantalum will be produced in the reaction of tungsten and fusion neutron. Meanwhile, high energy neutron irradiation will introduce a large number of vacancies and dislocations in the first wall materials. At the same time, high-flux deuterium plasma irradiation may cause blister on tungsten surface. The process of transmutation element interacting with the defects caused by irradiation damage, and then effecting the deuterium behaviors in the damaged materials is not yet fully understood. In this project, the synergistic effect of transmutation elements, neutron damage and plasma irradiation are studied together. The experimental simulation work, combined with various technological means (such as positron annihilation doppler broadening spectrum, thermal desorption spectrum, nuclear reaction analysis, etc.) will be taken to analyzes the damage defects and deuterium behaviors in tungsten. The aim of this project is to study the influence and underlying mechanisms of transmutation elements rhenium/tantalum on the deuterium behaviors in damaged tungsten. Our research will provide a good reference for the performance and lifetime evaluation of tungsten in future fusion reactor.

金属钨被认为是聚变装置中最有可能全面使用的面对等离子体材料。钨在服役过程中会与中子发生嬗变反应，产生铼、钽等嬗变元素；同时，高能中子辐照会在第一壁材料中引入大量空位、位错等缺陷；此外，高通量的氘等离子体辐照会引起材料表面起泡、性能退化。嬗变元素铼/钽如何与辐照损伤引起的缺陷相互作用，进而影响损伤材料中的氘行为有待系统研究；钨中滞留的氘如何影响钨中嬗变元素铼/钽偏析和缺陷演化亦缺乏深入的了解。本项目综合考虑聚变环境下出现的嬗变元素、中子损伤和等离子体辐照的协同效应，对此开展实验模拟工作，结合正电子湮灭多普勒展宽谱、热脱附谱、核反应分析等技术手段，对预置损伤钨中的嬗变元素偏析和氘行为进行分析研究。以期获得损伤钨中嬗变元素偏析与氘行为的相互作用规律，进而揭示其物理机制，为未来聚变堆中第一壁材料的服役行为和寿命评估提供有价值的实验参考和理论基础。

金属钨被认为是聚变装置中最有可能全面使用的面对等离子体材料。钨在服役过程中会与中子发生嬗变反应，产生铼、钽等嬗变元素；同时，高能中子辐照会在第一壁材料中引入大量空位、位错等缺陷；此外，高通量的氘等离子体辐照会引起材料表面起泡、性能退化。本项目综合考虑聚变环境下出现的嬗变元素、中子损伤和等离子体辐照的协同效应，对此开展实验模拟工作，结合正电子湮灭多普勒展宽谱、热脱附谱、核反应分析等技术手段，系统研究了嬗变元素铼对钨中缺陷演化的影响以及离位损伤对钨铼合金中氘行为的影响两大问题。.研究发现：（1）重离子损伤后，钨中空位型缺陷的增加比钨铼合金中空位型缺陷的增加更为显著，说明铼可以抑制钨中空位型缺陷的移动，进而抑制重离子损伤过程中产生的空位聚集行为；（2）氘等离子体辐照后，纯钨和钨铼合金样品表面都出现了大量具有强晶粒取向依赖性的气泡，但是钨铼合金样品表面的气泡尺寸较小、密度更大，多为晶内泡，纯钨样品表面的气泡多为晶界泡，这揭示了铼对位错型缺陷的扎钉作用，即铼阻碍或牵制了位错在氘辐照作用下的移动；（3）预置离位损伤会使钨铼合金表面的氘致起泡尺寸略微变大，但氘泡数量减少，表面的氘泡覆盖率也明显降低，也就是说，预置离位损伤会在一定程度上抑制表面起泡行为。（4）预置离位损伤还会增加钨铼合金中的氘滞留量，影响氘致起泡的深度，进而影响氘在材料中的深度分布情况。.以上研究结果可为未来聚变堆中第一壁材料的服役行为和寿命评估提供有价值的实验参考和理论基础。