瞬态和稳态热负荷协同作用下面等离子体材料钨的损伤行为研究

Tungsten is considered to be one of the most promising candidate materials for use as plasma-facing materials (PFM) in future fusion devices. Tungsten will be severely damaged by thermal loads during plasma operation of fusion devices. This paper concerns the experimental study on damage behaviors of tungsten under a combination of transient thermal loads and steady-state thermal loads. High heat flux tests will be performed in an electron beam facility on tungsten specimens, loaded with edge-localized mode (ELM) like thermal shocks and steady-state thermal loads. In-situ diagnostics and post-mortem inspections will be usded to study the damage behaviors of tungsten such as surface roughness,crack formation threshold, crack propagation rate, recrystallization state. The relationship between ELM thermal shcoks and steady-steat thermal loads will be investigated.The effect of materials performances (microstructure, mechancial properties, structural stability at elevated temerature) and experimental parameters on the evolution of damage behaviors also will be investigated. The damage mechanism of tungsten under a synergic effect of transient thermal loads and cycle thermal loads will be discussed based on the results of experiments. The objective is to contribute to the development of high thermal loads resistant tungsten and lifetime prediction of tungsetn component.The study on synergic effect of thermal loads has important scientific significance for tungsten as plasma-facing materials.

钨被认为是未来聚变装置中最有可能使用的面对等离子体材料。聚变装置运行时的高热负荷会对钨产生严重的影响，本项目通过热负荷模拟实验研究钨材的瞬态和稳态热负荷协同效应。利用电子束高热负荷实验装置模拟边缘局域模（edge-localized modes，ELM) 热冲击和稳态循环热负荷，通过原位分析以及材料辐照后的分析，系统深入研究钨材在瞬态和稳态热负荷协同作用下表面粗糙度变化、裂纹萌生和扩展、表面再结晶等行为，探索边缘局域模热冲击与稳态热负荷之间的相互影响规律；建立损伤行为演变与材料性能（微观组织、力学性能、高温稳定性等）、热负荷参数之间的关联模型，揭示钨在瞬态和稳态热负荷协同作用下的损伤机理。本项研究可以起到提高钨材抗高热负荷性能以及预测部件使用寿命的目的，这对钨作为面对等离子体材料的研究具有重要的科学意义。

钨被认为是未来聚变装置中最有可能使用的面对等离子体材料，聚变装置运行时的高热负荷会对钨产生严重的影响。本项目利用电子束高热负荷实验装置模拟聚变装置的热负荷环境，研究了具有不同微观组织和力学性能的钨基材料的瞬态和稳态热负荷协同效应。系统的开展了电子束辐照损伤行为的表征包括开裂、塑性变形、熔化等，对损伤行为与材料性能、热负荷参数之间的关系进行了分析，研究了微观组织、力学性能和表面形貌对于裂纹形成和扩展的影响；同时，开展了ITER级纯钨的热冲击有限元分析，包括传热、热应力和疲劳；模拟结果与实验结果能较好的对应。对钨在瞬态和稳态负荷协同作用下的损伤机理进行了讨论，基于实验和模拟分析可以发现聚变热负荷对钨的损伤是典型的热应力以及由热应力引起的疲劳问题，同时，还探讨了钨基材料作为面向等离子体材料优化的组织和性能，本项研究可以起到提高钨材抗高热负荷性能以及部件使用寿命的目的。