聚變堆面壁材料鎢中氫行為的模擬研究.pdf

1、聚變能由于其清潔、安全、高效的特點，成為人類寄予厚望的新能源，被認(rèn)為是能夠解決我們能源問題的終極手段。聚變反應(yīng)堆的實現(xiàn)方法之一——磁約束核聚變的科學(xué)可行性已經(jīng)得到了驗證，只是其工程可行性卻面臨著巨大的困難，其中一個難點是反應(yīng)堆關(guān)鍵材料的選取問題。W材料由于具有高熔點、低濺射率、高熱導(dǎo)率等優(yōu)點，被認(rèn)為是未來核聚變反應(yīng)堆裝置中面壁材料的首選材料;而且在當(dāng)今的ITER及EAST等聚變反應(yīng)堆裝置中，石墨由于其高溫?zé)岱€(wěn)定性，被同W材料一起應(yīng)用做面

2、壁材料。處于嚴(yán)酷工作環(huán)境中的面壁材料在高溫、高通量、高熱負(fù)荷粒子流的長時間轟擊后，會不可避免地產(chǎn)生化學(xué)、物理濺射，及再沉積，進而在面壁材料的表面形成混合層。這種混合層的形成會對H同位素在面壁材料中的滯留產(chǎn)生一定的影響，從而嚴(yán)重影響材料的熱、力學(xué)性質(zhì);而且H同位素的滯留也會使得反應(yīng)堆燃料的濃度及反應(yīng)效率大打折扣，從而嚴(yán)重影響聚變反應(yīng)堆的運行。為此，本論文工作首先研究了H在W-C混合層中的滯留行為;進而，在有H滯留的情況下，從電子結(jié)構(gòu)出發(fā)，

3、研究了H對W材料脆性的影響。
　　本論文采用基于密度泛函理論的第一性原理方法進行研究:通過分析H在W材料表面的W-C混合層中與雜質(zhì)及基體原子的成鍵情況，探究了H在混合層中的滯留行為;通過分析H、He在W材料中裂紋尖端的溶解情況，研究了H、He對裂紋擴展的影響。論文得出結(jié)論如下:
　　(1)通過計算C原子在W晶體中的溶解能，發(fā)現(xiàn)C原子在無缺陷W晶體中的溶解度很低，而更容易在W晶體表面析出，形成類石墨結(jié)構(gòu);空位可以捕獲C原子，從

4、而可以增加C原子在W晶體中的溶解，此時C原子與W原子之間的成鍵方式與WC相類似。因此，考慮到ITER實際運行溫度，面壁材料W表面附近（含W-C、C-W共沉積層）很可能包含多種相成分。而H在W-C混合層中的滯留行為與這些相密切相關(guān):不管W晶體中是否存在空位，H原子都優(yōu)先與W原子之間成鍵，而溶解在W晶體中的C并未作為捕獲中心而促進H的滯留;解吸附實驗中發(fā)現(xiàn)的碳氫化合物很可能歸因于在C的無定形相或者W-C混合層表面的類石墨相中，H通過與C原子

5、的spx(x=1，2，3)雜化電子形成共價鍵而產(chǎn)生。
　　(2)通過對H、He在W晶體中裂紋尖端的溶解情況進行分析，可以得知He原子容易遷移到裂紋中心處，而H原子則容易在裂紋尖端溶解。所以從化學(xué)鍵角度來講，孤立的He原子不會對W晶體中裂紋的擴展造成任何影響;而H原子由于導(dǎo)致體系的應(yīng)變能增大、W晶體形成新表面所需要的表面能降低、周邊W原子之間的相互作用減弱，而促使裂紋易于擴展。研究發(fā)現(xiàn)H的濃度越高，裂紋越容易擴展。
　　本論文