钨薄膜材料的氢氦等离子体辐照效应研究开题报告全文与文献综述

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1、北京航空航天大学研究生开题报告与文献综述学生姓名：俞坚钢专业：凝聚态物理学学号：BY1119120指导教师：朱开贵开题日期：北京航空航天大学研究生开题报告论文题目：钨薄膜材料的氢氦等离子体辐照效应研究学生姓名：俞坚钢专业：凝聚态物理学学号：BY1119120指导教师：朱开贵开题日期：一、论文选题依据（论文选题的意义、国内外研究现状分析等）能源是人类社会文明发展的根本基础。许多人认为要想最终解决人类的能源问题，必须大规模[1]的发展核能。核能是大家公认的最具希望的未来能源。人们开发核能的途径有两条：一是

2、重元素的裂变，如铀的裂变，即裂变能；二是轻元素的聚变，如氘、氚、锂等，即聚变能。与核裂变能相比，核聚变能具有安全无污染等优点，并且聚变需要的主要元素氘，在海水中大量存在，可以认为是取之不竭，因此被认为是人类未来发展最合适的能源。为实现核聚变而提出的受控热核聚变反应装置——托卡马克装置（Tokamak）到现在已经有了数十年的发展。但是由于核聚变环境过于苛刻，[2]技术复杂，仍有一些关键问题急需解决，等离子体与壁材料相互作用（PWI）就是目前托卡马克中的关键问题之一。等离子体与壁材料的相互作用（PWI）是

3、指：由于磁场对等离子体约束的不完全性，一些带电粒子会由于碰撞、反常输送等机制在垂直于磁面方向上作漂移和扩散运动，直至接触器面并与其发生作用，另外，中性粒子、中子、光子不受磁场约束，直接作用到器壁上。PWI是不可避免的，同时，它也是实现聚变能与氦灰排出的必要条件。PWI大致分为两个方面，一方面粒子流（离子、电子、中性粒子、中子、高能逃逸电子、光子和射线等）和伴随的能量流轰击器壁，造成第一壁材料损伤。另一方面，粒子流和能量流轰击器壁产生杂质，杂质进入主约束区对等离子体约束和其品质[3]产生不利影响。等离子

4、体与第一壁相互作用过程中，第一壁在承受高热负荷和粒子通量产生杂质的同时，将会发生一系列材料损伤，主要表现为：第一、面向等离子体材料（PFM）的溅射腐蚀和热腐蚀，如局部烧蚀、融化、开裂和热疲劳等，以及带电粒子、中性粒子、中子和光子轰击引起的表面起泡和表面的喷射等现象。溅射腐蚀将会使得PFM发生减薄，这是面向等离子体部件（PFC）的使用寿命受到限制的主要因索之一。而蒸发和熔化（金属类PFM在重力和电磁力作用下会使熔融层流失）将会进一步缩短PFC的使用寿命。第二、辐照损伤，分为表面损伤和体损伤两种:表面损伤

5、主要有带电粒子、中性原子和光子轰击引起，表面损伤的主要形式有表面溅射、表面起泡和蒸发等现象，从聚变装置的角度来看，表面损伤的主要危害是造成对等离子体的杂质污染。造成材料本身损害、缩短其使用寿命的主要因素是体损伤。体损伤主要是中子引起的，中子在材料中引起的两种基本物理过程是原子位移和核反应。主要损伤形式有材料活化肿胀、引起力学性质和物理性质[4]变化等这种损伤对材料整体产生损害,使其性能退化，并缩短了PFC的使用寿命。目前研究的PFM主要包括两类：低Z（原子序数）材料和高Z材料。低Z材料有碳基材料(石第

6、1页共10页墨、碳化硅和碳化硼、C/C复合材料)、铍、硼、锂、铍等，高Z材料主要有钨、钼等。W材料具有高熔点、低物理溅射率、不与H发生化学刻蚀以及低的H滞留等优点，而且W与核聚变中的等[5]离子体有良好的兼容性。因此，钨基材料被视为未来托卡马克/聚变堆中最可能全面使用的PFM。[6]钨涂层作为PFM已经成功应用于ASDEX-Upgrade托卡马克装置中，涂层率达到65%。ASDEX-Upgrade实验表明第一壁和偏滤器表面大部分覆盖W对于等离子体的运行是可行的。一个全W的偏滤器装置已经在ILW（ITE

7、R-likewall）计划中实施，并作为ITER偏滤器的备选方案之[7]一。尽管W有着诸多适宜PFM应用的优点，但是目前仍难以满足聚变反应堆苛刻的等离子体环境要求。一方面，W的韧脆转变温度（DBTT）通常在373K~673K，当温度低于此温度时，材料表现出低温脆性，导致其加工十分困难。同时，W的重结晶温度范围是1423K~1623K，当温度超过[8,9]重结晶温度时，晶粒尺寸增加，DBTT上升，高温强度下降，低温脆性增加。在托卡马克装置中，Ｗ作为偏滤器其表面温度在700K到1600K之间，高于它的韧脆

8、转变温度而达到了再结晶温度，增[10]加了材料发生断裂破坏的可能性。另一方面，在聚变等离子体环境下，H/He等离子体进入到钨内部后，会在结构缺陷中聚集，并最终长大成泡，造成钨材料力学和热学性能下降的同时改变钨的[11-14]表面形貌，增大溅射蒸发的可能性，威胁托卡马克的安全稳态运行。因此，作为PFM，W的力学性能和抗辐照性能还有待提高，改善和提高W的性能成为PFM设计和制备的重要问题。针对钨面向等离子体材料存在的关键问题，主要从下列途径去改善。一、减小自