● 摘要
核聚变能是潜在的清洁安全能源，其最终实现对中国能源问题的解决尤为重要。可控热核聚变装置“托卡马克”以及未来反应堆中关键材料问题的解决将是决定聚变能源能否成功应用的关键之一。其中面向等离子体材料（Plasma-facing material, PFM）的选择尤为关键。钨（W）由于具有高的熔点、良好的导热性和低溅射产额等优点而作为重要的PFM候选材料之一。聚变反应中产生的氢氦等离子体将与PFM发生相互作用，从而导致材料性能恶化，如起泡和脆化等，这将严重影响聚变等离子体的稳定性并降低PFM的使用寿命。其中He致W起泡及脆化问题是制约W作为PFM候选材料应用的重要方面，W的合金化是改善纯W材料性能的方法之一。本论文工作主要有两个方面：一是采用实验模拟方法系统研究了合金化元素铌（Nb）和铈（Ce）对He致钨起泡、滞留、表面损伤及力学性能等的影响。二是参与直线等离子体发生装置（Simulator for Tokamak Edge Plasma, STEP）的建造工作，该装置可模拟托卡马克边界条件下的等离子体与壁材料的相互作用。研究了合金化元素Nb对W中He行为的影响，并研究了Nb的掺杂量及退火处理对W表面损伤的影响。采用离子注入方法在W中掺杂1.0 × 1017 ions/cm2的铌，再对纯W和Nb掺杂的W两类样品进行He辐照的对比实验, He辐照能量为40keV，剂量为 3.0 × 1016 He/cm2 -3.6 × 1017He/cm2。在两类样品表面没有观察到He泡，而观察到大量孔洞，其尺寸随着He注入剂量的增大而增大，并会出现合并现象。但是，在相同He辐照的条件下，铌掺杂的W样品的表面损伤比钨的要小。结果表明：Nb的掺杂有效减轻了He辐照诱发的表面损伤，降低了He在W中的滞留率，而且显著提高了W的硬度和弹性模量。其原因可能在于，作为第二相夹杂的Nb原子团簇优先占据W中空位，并捕获He原子形成He-Nb-V复合物，阻碍了He原子的迁移和团聚，增大He泡形核密度，从而改善了W中He的行为。对1.0 × 1016 ions/cm2、1.0 × 1018ions/cm2Nb掺杂的W样品进行与上述实验相同条件的He辐照，其实验结果与上述实验结果进行对比，研究Nb的掺杂量对He辐照诱发的W表面损伤的影响。结果表明：在相同He辐照条件下，Nb的掺杂为1.0×1017ions/cm2对改善W中He的行为较好。研究退火温度对He辐照诱发的1.0×1017ions/cm2Nb掺杂的W样品表面损伤的影响，选取了750°C、950°C和1150°C三个温度对其在真空下进行退火处理，结果表明：750°C退火条件对减轻He辐照诱发的W表面损伤较为理想。研究了晶粒取向1.0 × 1018ions/cm2Nb掺杂的W表面损伤的影响。对掺杂1.0 × 1018ions/cm2Nb掺杂的W样品呈现的不同高度的三个晶面的形貌进行EBDS和AFM分析，并用第一原理计算模拟进行微观机制分析。实验结果表明：（111）表面损伤最轻，（100）表面损伤较轻，（110）表面损伤最严重。晶粒取向与表面损伤有关的原因可能在于晶面的原子面密度，表面的原子面密度越大，其表面损伤越大。研究了合金化元素Ce对W中He行为的影响，He辐照能量为45keV，剂量为 3.0 × 1016 He/cm2-3.6 × 1017He/cm2。在纯W表面观察到少数的He泡和大量的孔洞，而在钨铈（W-Ce）合金样品表面只观察到大量的孔洞。两类样品表面的孔洞的尺寸都随着He注入剂量的增大而增大，并出现合并现象。结果表明：在相同He辐照的条件下，减轻了He辐照诱发的表面损伤。同时Ce的掺杂提高了W的硬度和弹性模量。其原因可能在于，Ce在W中细微弥散分布的第二相沉淀物，阻碍了 He原子的团聚，阻塞了 He原子迁移的路径，从而改善了W中He的行为。在W-Ce合金中采用离子注入方法掺杂合金化元素Nb，再进行He注入实验，实验结果表明，Nb的掺杂可以减轻He辐照诱发的钨铈合金的表面损伤，并与Nb的掺杂量密切相关，掺杂1.0×1017ions/cm2 的Nb对减轻表面损伤效果较为理想。在研究合金化元素Nb、Ce对W中氦行为影响的同时，参与了STEP的建造及其性能测试工作。该装置主要结构有真空室、等离子体源、样品台、磁场系统、抽气系统、诊断系统、水冷系统、电源系统等。其中六硼化镧等离子体源的改造工作是整个装置建造工作的重点，采用钨丝加热。由于源部件出现钨丝温度过高发生粘连现象并导致短路、热屏蔽差导致温度过低等问题，需要对其构造不断进行改造和完善。STEP装置建造后，对其性能进行测试并进行了低能、大束流He辐照实验。该设备能够稳定输出能量小于100 eV、束流等于或大于1022/m2s的等离子体，达到了预期设计的性能指标。