基于强流脉冲离子束测试评价托卡马克第一壁材料钨的抗高热负荷性能及失效机理研究

强流脉冲粒子束技术是目前唯一能够实现托卡马克第一壁极高表面热负荷模拟的手段，因而近年来发展成为第一壁高热流材料研究的首选方法。本项目针对下一代托卡马克第一壁最可能应用的W基材料的研发，拟采用基于中俄合作研究成果、后由申请人等自主研发的大面积强流脉冲氢离子束技术，克服现有强流脉冲离子束或电子束高热流测试技术存在的参数波动大、尺寸偏小或沉积效率低等局限性，实现可靠的第一壁材料高热流测试及性能评价。旨在通过系统实验与理论研究，弄清W基材料在未来托卡马克量级的高热负荷作用下的响应特性，探明材料微结构与成分（如单晶或多晶、晶粒大小、晶体取向、合金元素及杂质等）对表面开裂、熔融与烧蚀行为的影响机制，以及高热流冲击导致的材料组织结构变化对其物理与力学性能的影响机理，评价W基第一壁材料的使用性能和寿命，提出适合未来托卡马克运行的第一壁材料的新设计思路和研制方法，为发展出高性能第一壁材料创造基础条件。

针对先进托卡马克拟采用的第一壁W基材料为研究对象，通过利用自主发展的大面积强流脉冲离子束（HIPIB）技术，系统开展高热流性能测试及失效机理实验和理论研究。在实验研究方面，利用束流参数稳定性达到10%的强流脉冲离子束技术开展了模拟托卡马克热流参数高达数百 MW m-2 s1/2的第一壁材料表面热负荷测试研究，研究了多种W基第一壁材料ITER级金属W、商品金属W、微晶金属W及纳米颗粒增强W复合材料在聚变热负荷作用下烧蚀特性、结构与成分变化规律。在理论研究方面，依据热传导方程和热弹塑性应力应变关系，建立了强流脉冲离子束辐照高热流作用下耦合温度场和应力场的一维及二维模型，引入与温度、应力、应变相关的热物性和力学性能，克服了现有模型简化较多、误差较大的局限性，实现了热流冲击表面的温度场和应力场的动态演化过程计算分析，解释了与实验规律。通过本项目的研究，发展了基于强流脉冲荷电粒子束技术的聚变堆第一壁材料测试手段，获得了W基材料相关的室温和升温辐照下的烧蚀与裂纹形成规律，对W基第一壁材料开发和设计提供了高热流测试评价与理论分析方法。