惰性气体辐照对钨中氘滞留及起泡行为的影响研究

Hydrogen isotopes retention and blistering in tungsten as plasma-facing material (PFM) in fusion devices are of serious concerns not only to fuel recycling, but also to the lifetime of PFMs and plasma operations. Helium (He), neon (Ne) and argon (Ar) are important components in the fusion environment. They will impact deuterium (D) retention and blistering by changing the status of W. At present, however, few studies are available on the influences of Ne and Ar on the defect state/quantity and surface state of W. Furthermore, there is a lack of systematic understanding about the effects of these changes induced by noble gas irradiation on D retention and blistering. In this project, we plan to carry out various irradiation experiments on different W grades, combined with the rate-theory analysis and the first-principles calculations, to study the effects of noble-gas irradiation on D behavior and seek effective methods to suppress D retention and blistering in W.

聚变堆壁材料钨中的氢同位素滞留及起泡问题是影响燃料循环再利用、壁材料使用寿命、等离子体运行稳定性的关键问题。惰性气体氦、氖、氩作为重要的组成存在于聚变环境中，其辐照将改变材料的组织结构特征，进而影响材料中的氘滞留及起泡行为。然而，目前关于氖和氩对钨材料中缺陷类型/数量及表面状态影响的研究还比较少见，并且人们对这些因惰性气体辐照诱导产生的材料状态的变化对氘滞留及起泡行为的影响规律及机理还缺乏清晰、系统的认识。本项目将针对不同类型的钨材料，开展多种条件的辐照实验，结合速率理论及第一原理计算方法，系统研究惰性气体辐照对钨中氘滞留及起泡行为的影响。通过本项目的研究，阐明惰性气体辐照对钨中缺陷状态/数量及表面状态的影响规律及机理，并揭示这些因素对氘滞留及起泡行为的影响规律及机理，进而从惰性气体辐照的角度，为寻找减缓钨中氘滞留及起泡的有效方法提供参考和依据。

聚变堆壁材料钨中的氘滞留及起泡行为不仅对燃料的循环再利用造成不利影响，而且对壁材料的使用寿命乃至等离子体运行的稳定性构成威胁。钨中氘滞留及起泡行为的规律、机理及其关键影响因素，属于目前聚变材料及聚变工程领域密切关注的重要科学问题范畴。惰性气体是聚变环境中重要的组成部分。氦是聚变反应的产物，氖、氩等元素通常作为辐射冷却剂以缓解聚变堆偏滤器壁材料钨表面的热负荷。这些惰性气体杂质的存在会使钨材料周围的等离子体辐照环境发生变化，影响钨材料中的缺陷状态/数量及表面状态等因素，进而对钨中的氘行为产生影响。.本项目利用直线等离子体装置进行惰性气体及氘等离子体辐照实验，采用多种分析与测试手段研究包括钨材料表面形貌特征变化、缺陷行为与氘滞留行为在内的钨材料等离子体辐照行为，用以评估惰性气体对偏滤器钨材料带来的可能影响。结合第一原理计算，揭示惰性气体对钨中氘行为影响的物理微观机制。.通过本项目的研究，发现惰性气体可以起到诱导空位型缺陷的形成和填充空位型缺陷两方面的作用，哪种作用占主导依赖于辐照条件；在较低的惰性气体离子与氘离子比例范围内，随着该比例的增加，钨中氘滞留量不断减少；第一原理计算研究发现，惰性气体元素自捕获性质是其对氢同位素具有强捕获作用的主要原因；提出并证实了惰性气体氖预辐照或氖掺杂是减缓钨中氘滞留及起泡的有效方法。.本项目研究成果为深入理解聚变堆钨基壁材料在氘及惰性气体辐照下的缺陷/组织结构演化、氘滞留行为及微观物理机制奠定基础，所提出的氖掺杂方法为减少壁材料损伤、延长壁材料使用寿命、减少燃料滞留提供重要参考。