核聚變反應(yīng)中不同粒子源對鎢內(nèi)襯壁的輻射損傷研究*

臧真麟，Jaime Marian，劉志林*

（1.西藏農(nóng)牧學(xué)院 水利土木工程學(xué)院，西藏 林芝860000；2.Department of Materials Science and Engineering UCLA，美國 洛杉機(jī)90050）

1 概述

當(dāng)今世界上，能源短缺問題是人類面臨的巨大問題之一。礦物燃料已探明儲量正在逐漸減少[1]。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，人類對清潔能源的需求越來越迫切[2]，核聚變作為其中效率最高的能源，走進(jìn)了人們的視野。（核聚變能源相對于核裂變和其他能源，在交互環(huán)境、安全和經(jīng)濟(jì)方面具有顯著的優(yōu)勢，這使得核聚變有成為長期能源的潛質(zhì)[3]。21世紀(jì)初，國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃（ITER）在35個(gè)國家和地區(qū)的合作上成立，專注于核聚變能源的研究和開發(fā)。托克馬克在運(yùn)行中面臨著許多問題，輻射損傷是其中最難以解決的問題。當(dāng)暴露在大等離子體熱量和粒子通量時(shí)，內(nèi)襯壁不應(yīng)出現(xiàn)任何大規(guī)模的故障或腐蝕，以保護(hù)外層容器部件免受輻射損傷[4]。所以等離子體和磁體之間的內(nèi)襯壁的選擇是非常重要的。鎢具有最高的熔點(diǎn)和最低的蒸氣壓。由于W濺射的入射離子能量分布低于閾值（100eV），鎢在分離模式上有望免受物理侵蝕[5]，這使它比其他任何金屬更適合內(nèi)襯墻。本文綜述了氦、氫等粒子源以及其他混合粒子源對鎢表面的輻照損傷。研究了鎢在輻照損傷過程中鎢表面形貌的變化及其損傷產(chǎn)物。

2 氦粒子源（He）

2.1 表面形態(tài)

氦離子照射上鎢表面形成的納米卷須一直是科學(xué)研究的對象之一。在等離子體的照射上，鎢的表面逐漸納米卷須化，拋光的表面轉(zhuǎn)變?yōu)閹缀跫冩u的互連納米結(jié)構(gòu)層。納米結(jié)構(gòu)的生長取決于入射的等離子體物質(zhì)，這些物質(zhì)必須通過納米結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散到鎢本體，然后才能發(fā)生進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)生長。因此，擴(kuò)散在納米結(jié)構(gòu)的生長中起著主導(dǎo)作用。高能等離子體和更多的間隙會提高納米卷須的生長效率。

這些結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為一團(tuán)纏繞在一起的無序納米棒，在上面的圖1中[6]，納米棒的長度可達(dá)1微米，其中有精細(xì)尺度的空腔（可以肯定是氦泡）。圖2中，受到不同能級能量沖擊的納米卷須在外觀上也不同[7]:低能卷須的形狀一般是圓形的，表面可能存在表面點(diǎn)蝕。另一方面，高能量卷須呈現(xiàn)為塊狀，厚度均勻，存在大量的表面凹陷。低能卷須比高能卷須更細(xì)，表面比高能卷須更光滑。

圖1金屬表面（a）和橫截面（b）取自峰值溫度為2600℃的輻射樣品，通過SEM成像

2.2 特性變化

圖3 展示了不同百分比的鎢合金在輻射前后光學(xué)反射率的變化[8]。純鎢在經(jīng)過不同輻射強(qiáng)度的輻射后，光學(xué)反射率都有不同程度的上降。但是從總體情況來看，反射趨勢并沒有因?yàn)檩椛鋼p傷而發(fā)生變化。

2.3 產(chǎn)生機(jī)理

圖4顯示了根據(jù)等離子體曝光時(shí)間的增加而變化的五個(gè)拋光鎢截面圖[9]。這些橫截面清楚地顯示了納米層的生長取決于等離子體暴露時(shí)間。

3 氫粒子源（H）

3.1 微觀結(jié)構(gòu)變化

圖5展示了在室溫條件上，H+離子輻照形成的W和MO微觀結(jié)構(gòu)的離子能量依賴關(guān)系[10]。在W樣品的觀測中，2keV以上沒有形成可見的缺陷，而在4keV以上形成了間隙型位錯(cuò)環(huán)。隨著輻射強(qiáng)度的增加，W的表面逐漸產(chǎn)生大量的缺陷，可見缺陷密度具有能量依賴性。

圖6展示了HP-W（高純度單晶鎢）和PM-W（低純度多晶鎢）缺陷損失的溫度依賴性[11]。HP-W的位錯(cuò)環(huán)面密度的溫度依賴性比PM-W要強(qiáng)。PM-W的位錯(cuò)環(huán)出現(xiàn)在輻射早期。在873k時(shí)，HP-W中僅出現(xiàn)小型氫氣泡，而PM-W中已經(jīng)形成氫氣泡和位錯(cuò)環(huán)。

圖2 卷須結(jié)構(gòu)平面比較圖。（a-c）、（d-f）分別由低能和高能He離子輻射而成。（a-d,f）為20KeV,（e）為5KeV。通過SEM成像

圖3 輻射前后鎢試樣的光學(xué)反射率。（a）1.5×1022H e/m2，（b）4.0×1022H e/m2，（c）1.3×1022H e/m2 and（d）3.9×1022H e/m2

3.2 氘捕獲

圖4 W目標(biāo)暴露在純He等離子體上，曝光次數(shù)為（a）300s，（b）2.0×103s，（c）4.3×103s，（d）9.0×103s，（e）22×104s的SEM橫截面圖像。靶體暴露在1120K的固定溫度上。等離子體特性略有不同的參數(shù)范圍ne=4×1018m-3和Te～6-8eV,ΓHe+=（4-6）×1022m-2 s-1，以此保持溫度不變

圖5 H+離子在室溫上輻射HP-W和HP-Mo形成的微觀結(jié)構(gòu)的離子能量依賴性

圖6 8KeV H+離子輻照HP-W和PM-W時(shí)微觀結(jié)構(gòu)的溫度依賴性

圖7 氘俘獲作為通量的函數(shù)曲線

在DT聚變反應(yīng)堆中，鎢由于中子轟擊而產(chǎn)生輻射誘導(dǎo)缺陷。因此，研究氘在被中子破壞的鎢中的保留、釋放和擴(kuò)散等行為是很重要的。圖7展示了保留通量和入射通量的函數(shù)關(guān)系[12]。在高通量時(shí)，由于擴(kuò)散到體中，積累的氘的數(shù)量以離子通量的平方根增加。

4 中子損傷

4.1 微觀結(jié)構(gòu)的變化

托克馬克裝置在運(yùn)行時(shí)面臨的一個(gè)很大的問題，是中子輻射損傷帶來的損傷問題。因?yàn)槠渥銐驈?qiáng)的穿透能力，幾乎所有物質(zhì)都不能夠抵擋住中子輻射。迄今為止，這個(gè)問題還是核聚變領(lǐng)域沒有解決的難題。作為處于等離子和磁體之間的內(nèi)襯壁，鎢隨時(shí)可能面臨中子輻射帶來的損傷。

圖8為在不同的溫度、0.17～1.54dpa上，W中的微觀結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果[13]。在400攝氏度上輻照到0.17dpa的樣品中，觀察到了細(xì)小、緊密的類金剛石和位錯(cuò)環(huán)，且其分布并不均勻。在538℃輻照到0.96dpa的樣品中，觀察到大小各異的孔洞，可見孔洞的最小直徑約為1nm，最大孔洞直徑約為6nm，同時(shí)還觀察到了位錯(cuò)環(huán)。在400℃輻照0.17dpa的試樣中，孔洞的平均直徑比觀察到得大。在740℃輻照到0.40dpa的試樣中，觀察到微小孔隙。在750℃輻照1.54dpa的樣品中，觀察到了大的孔洞和孔洞晶格，孔洞的直徑范圍為2-9nm。

4.2 特性變化

圖9為在不同條件上中子輻照前后W-Re合金的電阻率變化折線[14]。在純W中沒有觀察到明顯的電阻率變化。在聚變堆條件上，隨著輻照劑量的增加，純W基質(zhì)中的嬗變產(chǎn)物增加。

圖8 在（a）0.17dpa at 400℃，（b）0.96dpa at 538℃，（c）0.40dpa at 740℃and（d）1.54dpa at 750℃情況上觀察純W的微觀結(jié)構(gòu)。（a）和（d）中的空白為黑色

圖9 W和W-Re合金的輻射條件與電阻率的關(guān)系

圖10 W和W-Re合金的輻射條件與硬度的關(guān)系

圖10 展示了W和W-Re合金的輻射硬化程度與輻射條件有關(guān)[14]。在合金百分比為0時(shí)（即為純鎢），孔洞的形成抑制了合金的硬化，隨著原子平均離位（dpa）的增加，輻射誘導(dǎo)導(dǎo)致的析出增加，致使合金硬化程度增大。

5 結(jié)論

本文總結(jié)了托克馬克裝置在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的不同粒子對鎢內(nèi)襯壁的輻射損傷情況以及輻射產(chǎn)物。

在He粒子源的輻射上，鎢表面逐漸納米化，形成了幾乎為純鎢的無序納米卷須。納米卷須的生長機(jī)理還沒有明確的研究結(jié)果，將來有可能對復(fù)合涂層材料進(jìn)行深入研究，解決卷須的生長問題。其外觀變化受輻射強(qiáng)度的影響，輻射過后鎢表面的光學(xué)反射率上降。在He粒子源的輻射上，鎢表面逐漸產(chǎn)生缺陷。當(dāng)能量達(dá)到4keV以上時(shí)，鎢表面形成了間隙性位錯(cuò)環(huán)。缺陷密度隨輻射強(qiáng)度增加或者溫度的升高而變大。在高能輻射上，氘的積累量隨著離子注量的平方根的增加而增加。

中子輻射的能量極強(qiáng)，幾乎沒有物質(zhì)能夠抵擋。在中子輻射上，鎢表面形成孔洞?？锥措S著溫度的增長和輻射強(qiáng)度的增加而變大，其中輻射強(qiáng)度為主要影響。在輻射的影響上，鎢的硬度變大，與輻射強(qiáng)度呈正相關(guān)?？赡軙懈嗟膹?fù)合材料在將來會被應(yīng)用到內(nèi)襯壁的材料試驗(yàn)當(dāng)中，復(fù)合材料的綜合性能高于現(xiàn)有的金屬W及其他材料，或許可以減小輻射損傷。