氫同位素在聚變堆包層結(jié)構(gòu)材料中的滲透滯留行為研究.pdf

1、聚變包層以低活化鋼、釩合金作為主要候選結(jié)構(gòu)材料，然而這兩種材料均存在高氫同位素滲透、滯留的缺點。氫同位素在包層結(jié)構(gòu)材料中的滲透滯留問題直接關(guān)系到聚變堆的經(jīng)濟性與安全性并影響了氚自持的可行性。本論文主要借助氣體驅(qū)動滲透設(shè)備(GDP)與熱脫附譜儀(TDS)，獲得了CLF-1鋼在服役溫度下的氫同位素滲透滯留參數(shù)，并進一步面向?qū)嶋H工況，結(jié)合高能重離子輻照裝置、直線等離子體源裝置以及多種微觀結(jié)構(gòu)、成分表征手段，針對包括高能中子輻照、阻氚涂層、等離

2、子體暴露在內(nèi)的服役環(huán)境因素對氫同位素輸運的影響，系統(tǒng)研究了氫同位素在包層結(jié)構(gòu)材料中的滲透滯留行為。
　　首先，獲得了中國ITER TBM結(jié)構(gòu)材料CLF-1鋼在其服役溫度下的氘滲透參數(shù)，并借助3.5MeV氦離子輻照，研究了輻照損傷對氘滲透滯留行為的影響。實驗結(jié)果顯示CLF-1鋼具有與國外F82H、EUROFER97鋼接近的基本滲透參數(shù)。低劑量的氦離子輻照對氘在CLF-1鋼中的滲透率與擴散系數(shù)影響極小，高劑量的氦離子輻照會降低氘滲透率

3、、擴散系數(shù)并大大提高氘滯留總量。本研究既可以豐富CLF-1鋼的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，又可以為ITER及CFETR氚輸運分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
　　其次，基于HTUPS鋼的文獻及實驗數(shù)據(jù)，提出了Fe-Cr-Al鐵素體鋼作為阻氚涂層材料的可能，并對其熱氧化及氘滲透行為進行了表征。經(jīng)過90小時800℃空氣氛圍熱氧化，F(xiàn)e-Cr-Al表面生成了一層150nm-450nm厚以Al2O3為主要成分的氧化層，氧化層中發(fā)現(xiàn)了α-Al2O3的存在。GDP測試結(jié)果

4、顯示氘滲透率相比CLF-1鋼低2-3個數(shù)量級。為了考核輻照對熱氧化Fe-Cr-Al鐵素體鋼的氘滲透行為的影響，利用高能金離子在氧化層中引入了輻照損傷。正電子湮沒測試顯示空位型缺陷的密度隨輻照劑量的增加而增大。GDP測試結(jié)果顯示在服役溫度范圍內(nèi)，不同劑量的輻照損傷導(dǎo)致了氘滲透率的不同程度的上升。本研究為新型阻氚涂層的開發(fā)提供了參考，同時輻照損傷對于阻氚涂層材料氘滲透率的影響的研究填補了國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的空白。
　　最后，借助MAPES平

5、臺研究了EAST氘等離子體暴露下F82H鋼、V-5Cr-5Ti氘的滯留行為，并將包層不同設(shè)計概念中鎢鎧甲的添加與否考慮進來，對其影響進行了表征;借助直線等離子體源研究了氦等離子體暴露對F82H鋼表面微觀組織的影響及隨之對氫滯留行為的影響。在經(jīng)歷EAST氘等離子體轟擊后，F(xiàn)82H鋼的脫附譜出現(xiàn)了4個釋放峰，與之前的文獻中利用離子注入、氣氛暴露等氫同位素注入后的TDS譜圖差別極大;經(jīng)歷同等的等離子體暴露條件后，V-4Cr-4Ti中的氘滯留量

6、遠遠大于F82H鋼;帶涂層的F82H鋼、V-5Cr-5Ti合金表面均出現(xiàn)了大面積的剝落，且V-5Cr-5Ti合金表面更為嚴重，未剝落的區(qū)域，涂層與基體界面出現(xiàn)大量的鼓包;添加了薄鎢層的樣品的F82H鋼、V-5Cr-5Ti的氘滯留總量比裸樣品低。在經(jīng)歷氦等離子體輻照后，F(xiàn)82H鋼表面出現(xiàn)了一系列的奇異形貌，如迷宮狀密布的富鎢須狀結(jié)構(gòu)、密布的納米級針孔以及截面上不同尺寸的空洞等，對其產(chǎn)生機理進行了探究，并研究了氦等離子體暴露對氫滯留的影響。