【摘 要】
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金属钨（W）和钨基合金材料是东方超环（EAST）、国际热核聚变实验反应堆（ITER）、中国聚变工程实验堆（CFETR）和未来聚变反应示范堆（DEMO）等磁约束聚变装置中最有可能全面使用的第一壁面对等离子体材料（PFMs）。在聚变反应装置服役过程中,PFMs将受到高温H/He等离子体和14 Me V高能中子的辐照,产生大量的辐照缺陷。除了H/He杂质,作为冷却剂引入聚变装置的Ne/Ar气体,也会以杂
【基金项目】
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国家磁约束核聚变能发展研究专项项目“聚变堆金属材料中子辐照计算模拟”（2018YFE0308100）； 国家自然科学基金（Nos.12075141,11375242,51771073以及11675230）；
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金属钨（W）和钨基合金材料是东方超环（EAST）、国际热核聚变实验反应堆（ITER）、中国聚变工程实验堆（CFETR）和未来聚变反应示范堆（DEMO）等磁约束聚变装置中最有可能全面使用的第一壁面对等离子体材料（PFMs）。在聚变反应装置服役过程中,PFMs将受到高温H/He等离子体和14 Me V高能中子的辐照,产生大量的辐照缺陷。除了H/He杂质,作为冷却剂引入聚变装置的Ne/Ar气体,也会以杂质的形式进入PFMs中并与基底材料发生相互作用。此外,PFMs还要承受极端的热负荷和热冲击,其内部会产生温度梯度场和应力梯度场等复杂物理条件。PFMs中辐照缺陷的产生和演化,以及He/Ne等杂质的聚集和生长行为,将导致材料的力学性能和导热性能下降。因此,研究中子辐照、温度梯度场和应力梯度场等聚变环境下杂质原子和辐照缺陷的行为特性,将钨基面向等离子体材料的选择与优化设计提供理论基础,具有重要的学术意义和应用价值。本文自主构建了W-He/Ne原子间相互作用势函数,在此基础上应用分子动力学方法模拟了He/Ne杂质在钨块体中的迁移与聚集行为。模拟结果表明,入射至钨中He/Ne离子由于迁移、结合和自陷等性质,可在钨块体中产生大的团簇甚至气泡。进一步模拟He/Ne气泡在钨近表面的生长过程,发现He/Ne气泡均可诱导位错环发射。对比He/Ne气泡生长的物理特性,发现较低的位错环发射压强是He泡在钨近表面形成“Fuzz”结构关键因素。根据核聚变反应装置中的复杂物理条件,本文建立了温度梯度场和应力梯度场的模型,利用分子动力学方法研究了典型辐照缺陷在温度梯度场和应力梯度场中的扩散行为。模拟结果表明,在温度梯度作用下金属W中间隙型缺陷的迁移行为有着向高温区定向运动的显著特征,同时温度梯度场极大地提高了间隙型位错环的迁移速率。由聚变装置中W偏滤器部件上的温度分布状态,可推测W中的间隙型缺陷将向W块体表面快速扩散,这将对W材料表面造成严重的破坏。在应力梯度场中的模拟结果表明,应力的变化导致了W中的缺陷形成能和迁移能的改变,导致应力梯度场中产生能量梯度。该能量梯度使得W中的间隙型缺陷有向应力集中区域迁移的趋势,同时使位错环的迁移显著加速。因此,温度梯度和应力梯度将导致W材料的高温区和应力集中区域产生缺陷聚集,从而使材料的功能失效。综上所述,金属W中He/Ne杂质原子以及辐照缺陷的迁移将受缺陷种类、表面作用、温度、应力梯度场等多种因素影响。He/Ne的迁移、聚集、间隙原子以及位错环激发等行为,是钨近表面形貌改变的重要原因;温度梯度场和应力梯度场对辐照缺陷迁移有加速作用,且能使间隙型缺陷产生定向迁移。材料中缺陷的累积和演变可导致材料力学性能和物理性能改变,本文的模拟结果反映了聚变反应堆材料中缺陷迁移的影响因素,研究结果可为抑制缺陷在材料中的扩散与聚集方法提供参考,这对聚变堆材料的开发具有重要意义。
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