第一壁钨材料氘滞留行为实验室模拟研究

摘要

钨由于具备高熔点、高溅射阈值以及低燃料滞留等优点被视为最有应用前景的未来聚变堆第一壁材料.ITER以及未来聚变堆高参数长脉冲运行条件下,到达偏滤器靶板的粒子流与热流越来越高,钨第一壁材料与高密度粒子流与热流相互作用下,刻蚀、再沉积以及杂质混合等表面结构改变将不可避免.针对核聚变堆环境下第一壁钨材料的服役环境,利用磁控溅射在实验室制备钨氘共沉积涂层、钨碳多层涂层等模拟体系,利用聚焦离子束切割以及卢瑟福背散射,系统地研究了共沉积涂层在不同温度环境下的微观结构变化;利用核反应分析与热脱附谱,系统地研究了钨材料结构变化对氘滞留行为的影响,并与块体钨材料进行了对比.结果表明:钨氘共沉积涂层中氘含量为5×10-4～9×10-4at.fr,氘注入后其含量升高至3×10-3～6×10-3at.fr,钨氘共沉积层中氘滞留总量随涂层厚度线性增加.钨再沉积涂层在2000K热处理下并未再结晶,高温处理下涂层原始点缺陷在晶界与界面聚集并形成十几到几百纳米的显微孔洞,这些微结构的出现使得涂层氘滞留含量上升至2×10-2～3×10-2at.fr.钨碳多层模拟体系实验证明:1150K时W-C原子在界面开始扩散并形成碳化物.对氘注入样品进行氘浓度剖面分析并结合涂层结构变化分析,实验证明WC化合物的形成能抑制氘在钨涂层体系中的扩散,而W2C的形成能完全阻止氘在钨涂层体系中的扩散.