核聚变反应中不同粒子源对钨内衬壁的辐射损伤研究*

臧真麟，Jaime Marian，刘志林*

（1.西藏农牧学院 水利土木工程学院，西藏 林芝860000；2.Department of Materials Science and Engineering UCLA，美国 洛杉机90050）

1 概述

当今世界上，能源短缺问题是人类面临的巨大问题之一。矿物燃料已探明储量正在逐渐减少[1]。随着现代科学技术的发展，随着现代技术的发展，人类对清洁能源的需求越来越迫切[2]，核聚变作为其中效率最高的能源，走进了人们的视野。（核聚变能源相对于核裂变和其他能源，在交互环境、安全和经济方面具有显著的优势，这使得核聚变有成为长期能源的潜质[3]。21世纪初，国际热核聚变实验堆计划（ITER）在35个国家和地区的合作上成立，专注于核聚变能源的研究和开发。托克马克在运行中面临着许多问题，辐射损伤是其中最难以解决的问题。当暴露在大等离子体热量和粒子通量时，内衬壁不应出现任何大规模的故障或腐蚀，以保护外层容器部件免受辐射损伤[4]。所以等离子体和磁体之间的内衬壁的选择是非常重要的。钨具有最高的熔点和最低的蒸气压。由于W溅射的入射离子能量分布低于阈值（100eV），钨在分离模式上有望免受物理侵蚀[5]，这使它比其他任何金属更适合内衬墙。本文综述了氦、氢等粒子源以及其他混合粒子源对钨表面的辐照损伤。研究了钨在辐照损伤过程中钨表面形貌的变化及其损伤产物。

2 氦粒子源（He）

2.1 表面形态

氦离子照射上钨表面形成的纳米卷须一直是科学研究的对象之一。在等离子体的照射上，钨的表面逐渐纳米卷须化，抛光的表面转变为几乎纯钨的互连纳米结构层。纳米结构的生长取决于入射的等离子体物质，这些物质必须通过纳米结构网络扩散到钨本体，然后才能发生进一步的结构生长。因此，扩散在纳米结构的生长中起着主导作用。高能等离子体和更多的间隙会提高纳米卷须的生长效率。

这些结构表现为一团缠绕在一起的无序纳米棒，在上面的图1中[6]，纳米棒的长度可达1微米，其中有精细尺度的空腔（可以肯定是氦泡）。图2中，受到不同能级能量冲击的纳米卷须在外观上也不同[7]:低能卷须的形状一般是圆形的，表面可能存在表面点蚀。另一方面，高能量卷须呈现为块状，厚度均匀，存在大量的表面凹陷。低能卷须比高能卷须更细，表面比高能卷须更光滑。

图1金属表面（a）和横截面（b）取自峰值温度为2600℃的辐射样品，通过SEM成像

2.2 特性变化

图3 展示了不同百分比的钨合金在辐射前后光学反射率的变化[8]。纯钨在经过不同辐射强度的辐射后，光学反射率都有不同程度的上降。但是从总体情况来看，反射趋势并没有因为辐射损伤而发生变化。

2.3 产生机理

图4显示了根据等离子体曝光时间的增加而变化的五个抛光钨截面图[9]。这些横截面清楚地显示了纳米层的生长取决于等离子体暴露时间。

3 氢粒子源（H）

3.1 微观结构变化

图5展示了在室温条件上，H+离子辐照形成的W和MO微观结构的离子能量依赖关系[10]。在W样品的观测中，2keV以上没有形成可见的缺陷，而在4keV以上形成了间隙型位错环。随着辐射强度的增加，W的表面逐渐产生大量的缺陷，可见缺陷密度具有能量依赖性。

图6展示了HP-W（高纯度单晶钨）和PM-W（低纯度多晶钨）缺陷损失的温度依赖性[11]。HP-W的位错环面密度的温度依赖性比PM-W要强。PM-W的位错环出现在辐射早期。在873k时，HP-W中仅出现小型氢气泡，而PM-W中已经形成氢气泡和位错环。

图2 卷须结构平面比较图。（a-c）、（d-f）分别由低能和高能He离子辐射而成。（a-d,f）为20KeV,（e）为5KeV。通过SEM成像

图3 辐射前后钨试样的光学反射率。（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 氘捕获

图4 W目标暴露在纯He等离子体上，曝光次数为（a）300s，（b）2.0×103s，（c）4.3×103s，（d）9.0×103s，（e）22×104s的SEM横截面图像。靶体暴露在1120K的固定温度上。等离子体特性略有不同的参数范围ne=4×1018m-3和Te～6-8eV,ΓHe+=（4-6）×1022m-2 s-1，以此保持温度不变

图5 H+离子在室温上辐射HP-W和HP-Mo形成的微观结构的离子能量依赖性

图6 8KeV H+离子辐照HP-W和PM-W时微观结构的温度依赖性

图7 氘俘获作为通量的函数曲线

在DT聚变反应堆中，钨由于中子轰击而产生辐射诱导缺陷。因此，研究氘在被中子破坏的钨中的保留、释放和扩散等行为是很重要的。图7展示了保留通量和入射通量的函数关系[12]。在高通量时，由于扩散到体中，积累的氘的数量以离子通量的平方根增加。

4 中子损伤

4.1 微观结构的变化

托克马克装置在运行时面临的一个很大的问题，是中子辐射损伤带来的损伤问题。因为其足够强的穿透能力，几乎所有物质都不能够抵挡住中子辐射。迄今为止，这个问题还是核聚变领域没有解决的难题。作为处于等离子和磁体之间的内衬壁，钨随时可能面临中子辐射带来的损伤。

图8为在不同的温度、0.17～1.54dpa上，W中的微观结构观察结果[13]。在400摄氏度上辐照到0.17dpa的样品中，观察到了细小、紧密的类金刚石和位错环，且其分布并不均匀。在538℃辐照到0.96dpa的样品中，观察到大小各异的孔洞，可见孔洞的最小直径约为1nm，最大孔洞直径约为6nm，同时还观察到了位错环。在400℃辐照0.17dpa的试样中，孔洞的平均直径比观察到得大。在740℃辐照到0.40dpa的试样中，观察到微小孔隙。在750℃辐照1.54dpa的样品中，观察到了大的孔洞和孔洞晶格，孔洞的直径范围为2-9nm。

4.2 特性变化

图9为在不同条件上中子辐照前后W-Re合金的电阻率变化折线[14]。在纯W中没有观察到明显的电阻率变化。在聚变堆条件上，随着辐照剂量的增加，纯W基质中的嬗变产物增加。

图8 在（a）0.17dpa at 400℃，（b）0.96dpa at 538℃，（c）0.40dpa at 740℃and（d）1.54dpa at 750℃情况上观察纯W的微观结构。（a）和（d）中的空白为黑色

图9 W和W-Re合金的辐射条件与电阻率的关系

图10 W和W-Re合金的辐射条件与硬度的关系

图10 展示了W和W-Re合金的辐射硬化程度与辐射条件有关[14]。在合金百分比为0时（即为纯钨），孔洞的形成抑制了合金的硬化，随着原子平均离位（dpa）的增加，辐射诱导导致的析出增加，致使合金硬化程度增大。

5 结论

本文总结了托克马克装置在运行时产生的不同粒子对钨内衬壁的辐射损伤情况以及辐射产物。

在He粒子源的辐射上，钨表面逐渐纳米化，形成了几乎为纯钨的无序纳米卷须。纳米卷须的生长机理还没有明确的研究结果，将来有可能对复合涂层材料进行深入研究，解决卷须的生长问题。其外观变化受辐射强度的影响，辐射过后钨表面的光学反射率上降。在He粒子源的辐射上，钨表面逐渐产生缺陷。当能量达到4keV以上时，钨表面形成了间隙性位错环。缺陷密度随辐射强度增加或者温度的升高而变大。在高能辐射上，氘的积累量随着离子注量的平方根的增加而增加。

中子辐射的能量极强，几乎没有物质能够抵挡。在中子辐射上，钨表面形成孔洞。孔洞随着温度的增长和辐射强度的增加而变大，其中辐射强度为主要影响。在辐射的影响上，钨的硬度变大，与辐射强度呈正相关。可能会有更多的复合材料在将来会被应用到内衬壁的材料试验当中，复合材料的综合性能高于现有的金属W及其他材料，或许可以减小辐射损伤。