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氘(D)-氚(T)热核聚变具有大规模实现能源可持续生产的潜力。正在建造的国际热核聚变实验堆(ITER)及中国聚变工程实验堆(CFETR)是用于验证氘-氚聚变能源可行性的磁约束等离子体聚变装置。ITER和CFETR的一个重要部件便是偏滤器,偏滤器的功能是从等离子体束中排出聚变反应产生的氦以及杂质。偏滤器必须能够承受10 MW.m-2的热通量以及高达1024 m-2·s-1的粒子轰击。钨(W)具有较高的氢溅射阈值与良好的热性能,是偏滤器及第一壁最佳的备选材料之一。研究钨及其合金与等离子体的相互作用以及定量测量氢同位素在其中的滞留对于面向等离子体壁材料的研发和装置的安全运行均有重要意义。本工作利用课题组自行研制的涉氚等离子体发生装置(CEPT),在低能(25 eV/D)、高束流(3.71 × 1021 D·m-2·s-1)氘等离子辐照工况环境下测试了不同工艺制备纯钨的抗辐照性能及氘滞留性能,研究了纯钨在长时间持续辐照下的表面辐照损伤演化以及氘滞留量的变化情况,并考察了 Y2O3掺杂对纯W抗辐照及氘滞留性能的影响。研究结果显示:(1)不同工艺制备的三种W材料—化学气相沉积(CVD-W)、粉末冶金(冷轧)安泰W(Anti-W)和粉末冶金(热轧)厦W(Xia-W)—在相同氘等离子体辐照参数下(基底温度370 K、辐照剂量1.3 × 1025 D/m2),表面形貌及氘滞留行为呈现明显差异。三种W材料辐照后,Anti-W表面出现大量球形起泡,Xia-W表面有少量的平台状起泡,而CVD-W表面则几乎没有起泡。辐照后材料的X射线衍射(XRD)谱峰均向小角度偏移,对应晶格常数及晶格膨胀变化从大到小排序为:CVD-W(0.54%)、Xia-W(0.37%)和Anti-W(0.28%)。热脱附谱(TDS)测试显示,三种样品中氘滞留量,Anti-W最高(9.11 × 1020 D/m2),其次是 Xia-W(1.44 × 1020 D/m2),而 CVD-W 中氘滞留量最低(0.41 × 1020 D/m2)。可见,晶格膨胀和氘滞留量的减少在一定程度上缓解了样品表面宏观起泡行为的产生。Anti-W、CVD-W和Xia-W三种材料氘热脱附活化能分别为1.57 eV、0.88 eV和0.53 eV,进一步揭示氘在Anti-W中可能存在于空位及氘泡位置,在CVD-W存在于晶界/位错中,而在Xia-W中主要分布于晶格间隙位。综合性能比较,通过化学气相沉积工艺制备的CVD-W具有良好的抗辐照性能,且氘滞留量远低于传统粉末冶金工艺制备的纯钨。(2)在氘离子长时间持续辐照情况下,Anti-W中的氘滞留量会随辐照剂量的增加持续上升(8h,滞留量达到1.89 × 1021 D/m2),然而氘脱附温度先上升后下降(最高达到850K)。核反应反冲(NRA)测试显示,氘原子主要在距离样品表面1500 nm处富集;氘在钨中的富集导致表面起泡,表面起泡现象与钨晶格膨胀率相关联,当样品表面起泡现象明显时钨晶格膨胀率有所降低。在长时间辐照后,钨中主要有两种氘俘获阱:在1.33× 1025 D·m-2剂量范围内,以空位为主,热脱附活化能为1.09-1.16 eV;在1.33-21.36 ×1025 D·m-2剂量范围内主要为空位团簇,热脱附活化能为1.67-1.77 eV。长时间辐照是第一壁材料面临的实际工况,在辐照与辐照导致的样品温升协同作用下,空位将聚集成空位团簇,成为进一步捕获氘的陷阱。空位团簇中氘分子压力持续上升将最终导致样品表面泡的破裂,造成钨粉尘进入等离子体放电区域引起等离子体降温,因此需采取适当措施,阻止W表面起泡行为的产生或及时去除W中滞留的氢同位素。(3)在相同氘等离子体辐照参数下,W-Y2O3表面出现少量的球形起泡(约2 μm)并伴随着椭圆形膨胀(～2×10μm),而纯W表面则覆盖有大量的小尺寸球形起泡(～100 nm)。W-Y2O3的晶格膨胀率为0.35%,高于纯W(0.19%)。W-Y2O3中氘滞留量为5.23 × 1020 D/m2,略高于纯W中氘滞留量(2.10 × 1020 D/m2);W-Y2O3中氘的热脱附温区为450-850 K。W-Y2O3和纯W中均出现两种氘俘获位,其中低温氘俘获位的热脱附活化能为0.39 eV,低于纯W(0.86 eV);高温俘获位的热脱附活化能为1.73 eV则高于纯W(1.57 eV)。Y2O3掺杂在一定程度上改善了钨的抗辐照特性,但氘滞留量有所上升,脱附温区向高温去延伸,氘去除难易程度增加。