钨的低能氘/氦辐照效应的差异及其机理研究

Tungsten (W) has been regarded as one of the most promising candidates for plasma facing materials (PFMs) in future fusion reactors. However, the damage induced by irradiations limits its application performance and makes impact on the plasma confinement. The damage induced by D/He plasma irradiation is an important part of the irradiation damage in PFMs. Although both D and He irradiation cause changes in microstructure and surface morphology of tungsten, the reported research results show obvious difference between D and He irradiation effects, such as the difference in bubbling condition, retention depth, the dependence of radiation damage on irradiation temperature and dose, as well as their impact to each other, which has attracted intensive attention. So far the regularity in the difference and the behind mechanism have not been fully revealed. In this proposal, a linear plasma generator to simulate the Tokamak edge plasma is proposed to be dedicated to perform the systematic experiments of D/He irradiation. By setting up different irradiation doses and temperatures, through comparison between D and He irradiation, in company with D、He sequential and simultaneous irradiations, the difference between D and He irradiation effects and its mechanism is to be systematically investigated. The investigation and its output will help to further understand the D/He irradiation effect in tungsten.

钨（W）已被作为未来核聚变托卡马克装置中面对等离子体材料（PFM）的候选材料。W的辐照损伤问题直接影响着W的服役性能以及托卡马克等离子体的稳定运行，其中D/He等离子体辐照损伤是PFM材料辐照损伤的重要方面。尽管D、He辐照都能够引起W的内部结构和表面形貌的变化，但已有的研究结果显示W的D、He辐照效应存在明显的差异性，如D、He辐照的起泡条件及其滞留深度、辐照损伤对辐照温度及辐照剂量的依赖关系、以及D、He辐照的相互影响等都明显不同，已引起人们的广泛关注，但至今对此方面的规律及其机理尚不完全清楚。本项目拟利用专门研制的低能大束流直线等离子体发生装置模拟托卡马克边界等离子体，针对不同的辐照剂量和辐照温度，通过分别对比W的D、He辐照效应，以及一系列的D、He顺序辐照和协同辐照效应，系统地研究W的D、He辐照效应的差异及其规律，并探究其内在机理，为深入理解W的D/He辐照效应提供科学依据。

钨已作为未来核聚变托卡马克装置中面对等离子体材料（PFM）的候选材料，但是在服役过程中W面临着高密度的D/He等离子体辐照轰击，已有的研究D、He辐照效应存在明显的差异性，但是D、He这种差异的机制尚不清楚。. 鉴于此，本项目研究了不同辐照条件下的D/He离子辐照、等离子体辐照及顺序辐照。首先，实验发现非单一能量的50 keV He辐照W块体，在1×1021 /m2、5×1021 /m2、1×1022 /m2的剂量下均未观察到W的表面现象。但是在相同剂量下非单一能量的50 keV H辐照纯下，W表面出现了扇形的小泡，且泡密度随剂量增加而增加。经过He预辐照（剂量5×1021 He/m2和1×1022 He/m2）和后续的H辐照（1×1022 H/m2）的W表面均有纳米尺度的小He泡产生，且泡密度随He剂量的增加而增加。其次，利用单一能量的30 keV的D和60 keV He对W进行单独辐照，辐照的束流和剂量均相同（束流2.44×1017 ions/m2/s，剂量1.49×1022 ions/ m2），发现D辐照后的表面没有起泡，但是He辐照后的W表面产生平均直径约10 µm左右的大泡。经过D预辐照（剂量9.66×1021 ions/m2）和后续He辐照（剂量为4.39×1021 ions/m2 He）的W表面产生了平均尺寸约6 µm左右的He泡，但很多He泡的泡皮剥落了。然后，利用能量均为100 eV的D和He等离子体分别辐照W块体，辐照温度为500 K，束流均为~1021/m2/s，D和He的剂量分别是5.2×1025 D/m2和1.44×1026 He/m2, 发现D辐照后W表面出现尺寸约100 nm左右的台阶状泡，但是He辐照后的W表面出现了比较均匀几十纳米的小块体。最后，对W薄膜、W-Cr薄膜、W-5wt%Nb合金块体进行了不同条件下的D和He辐照，发现在高能D辐照下，表明均不起泡，高能He辐照下起泡明显。以上研究表明非单一能量的D离子辐照及低能D等离子体使入射粒子存在能量分布，在W的近表明产生一定厚度的应力层，D起泡符合应力起泡模型。He自团簇并形成He空位复合体不断长大，符合气压模型。顺序辐照表明He能够捕获D，可能形成了氦-氘-空位团簇，由于He和空位的结合能远远大于D，因此气压模型在顺序辐照过程中占主导作用。