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受控氘氚(DT)聚变能具有清洁高效等特点,对其开发应用被认为是解决人类能源危机的根本手段,前景十分诱人。然而这也是一个复杂而庞大的工程,诸多科学和工程问题亟待去验证解决。氢同位素在受控核聚变装置第一壁材料中的再循环问题即是其中之一,这也导致了对氢同位素滞留行为研究成为目前国际聚变界的研究热点。当前国际上该领域的研究工作表明,氢同位素的滞留主要来源于注入-捕获与共沉积两个方面。氢同位素滞留研究普遍的评价方法主要分为原位与事后分析。本论文的D滞留研究工作主要是采用SEMSSIMSTDS等事后分析的方法评价托卡马克等离子体辐照和实验室离子注入后石墨瓦中的D滞留行为。
托卡马克辐照实验样品主要取自2010年春季实验结束后EAST超导托卡马克装置中第一壁石墨瓦,事后我们主要观察了试样表面的微观结构及D的滞留行为。分析发现:高场侧试样与外靶板试样均被刻蚀,其样品表面D的分布深度及滞留总量明显高于其他试样,被严重刻蚀的高场侧试样滞留D量最高为2.01×1022 molecules/m2。研究表明:其主要原因为石墨瓦表面SiC涂层被严重刻蚀后,表面的裂纹和孔隙成为源于波纹损失机制的高能粒子注入后向内部扩散的通道,并与石墨基体中的孔隙一起捕获D。内靶板试样与穹项外边缘试样表面SiC无明显变化,其中D滞留量也明显较低;其主要原因为等离子体放电时X点向外偏移较多,致使内靶板处等离子体与壁相互作用较弱。
实验室注入实验在日本静冈大学实施,主要研究注入剂量与注入温度对石墨瓦表面SiC涂层D滞留的影响。研究证实:D注入试样后优先被C捕获,而随注入剂量的增加,Si捕获的D逐渐占据主导。当注入剂量为1.5×1022 m-2时试样中滞留的D近乎饱和。900K注入温度致使Si捕获陷阱(～850K)失活,C捕获(陷阱～1050K)部分也受其影响,导致试样中D滞留总量大为减少。