W/Cu穿管模块在瞬态和稳态热负荷双重辐照下的损伤行为和机理研究

Plasma facing components (PFCs) in today's fusion devices and future devices and reactors will have to withstand combined transient and steady state heat loads which play a major role for the lifetime of PFCs. Transient heat loads produced by type I edge-localized modes (ELMs) in the GW/m2 range for pulse durations from 0.2 to 0.5 ms lead to thermal shock damages on the surface of W/Cu PFCs in the forms of cracking and melting. Steady state heat loads up to 10-20 MW/m2 result in a surface temperature and thermal fatigue of PFCs.The damages of PFCs will be more severe under combined transient and steady state heat loads. This program will study the damage behavior and mechanism of the W/Cu mono-block mock-ups exposed to transient and steady state heat loads by turns and evaluate their actual lifetime and provide some data for their applications in fusion devices.

在目前的聚变装置或将来的反应堆中，面向等离子体部件（Plasma Facing Components, PFCs）将承受瞬态和稳态热负荷的双重辐照，这将对PFCs的使用寿命产生重大的影响。由边界局域模（Edge Localized Modes, ELMs）产生的载荷高达GW/m2量级（脉冲长度0.2-0.5 ms）的瞬态热负荷将对W/Cu PFCs表面造成裂纹、熔化等热冲击损伤。载荷高达10-20 MW/m2的循环稳态热负荷将使PFCs表面产生一定的温度,并对其造成热疲劳损伤。在瞬态热负荷产生的热冲击和稳态热负荷产生的热疲劳共同作用下，PFCs的损伤将变得更加严重。本项目将通过分步进行瞬态和稳态热负荷辐照试验，对W/Cu穿管模块在瞬态和稳态热负荷双重辐照下的损伤行为和机理进行研究，客观评价W/Cu穿管 PFCs的使用寿命，为其在EAST、ITER和CFETR等装置中的应用提供科学依据。

面向等离子体部件在稳态和瞬态热负荷辐照下的损伤行为对评估其使用寿命十分重要。本项目重点研究了W/Cu穿管模块在稳态热负荷和瞬态热负荷辐照下的损伤行为，并对瞬态热负荷辐照下的J积分和XFEM裂纹扩展进行了模拟研究。首先，W/Cu穿管模块连续经历了5000次10MW/m2和1000次20MW/m2稳态热负荷的辐照，发现了钨的开裂、再结晶和W/Cu界面失效的行为。通过断口分析和热应力计算得出，钨表面裂纹是在辐照后冷却阶段形成的，并以脆性断裂的方式扩展到W/Cu界面。通过金相分析和温度分布计算得出，钨表面的再结晶深度为2.3mm。周期的稳态热负荷还导致了W/Cu界面的开焊现象，这是由周期变化的热应力引起的。然后，W/Cu穿管模块又经历了1000次脉冲长度和功率密度分别为0.2ms和1GW/m2的瞬态热负荷的辐照，没有发现明显的损伤。最后，利用ABAQUS软件对钨材料在瞬态热负荷辐照下的J积分和XFEM裂纹扩展进行了模拟计算研究。研究结果表明，脉冲长度为0.5ms的热负荷致使钨表面裂纹扩展的阈值为0.7GW/m2，脉冲长度为1ms的热负荷致使钨表面裂纹扩展的阈值为0.5GW/m2。通过J积分和XFEM计算的裂纹扩展深度一致。通过本项目的研究，弄清了W/Cu穿管模块在稳态热负荷和瞬态热负荷辐照下的损伤行为，深入理解了其损伤的机理，对偏滤器W/Cu部件的应用提供了科学依据。