【摘 要】
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从能源持续性、经济性等方面考虑,核聚变能将是未来人类可持续发展的最理想能源。聚变堆材料的选择是核聚变能源发展面临的关键挑战之一。目前,钨被认为是核聚变堆面向等离子体的最佳候选材料。在服役期间,钨将受到低能高束流氦等离子体辐照,引起钨材料表面损伤,尤其是形成一种“绒毛状”纳米丝结构（通常称为fuzz结构）,fuzz结构会缩减钨材料的使用寿命并危及等离子体的稳态安全运行。因此,抑制材料钨中fuzz结构
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从能源持续性、经济性等方面考虑,核聚变能将是未来人类可持续发展的最理想能源。聚变堆材料的选择是核聚变能源发展面临的关键挑战之一。目前,钨被认为是核聚变堆面向等离子体的最佳候选材料。在服役期间,钨将受到低能高束流氦等离子体辐照,引起钨材料表面损伤,尤其是形成一种“绒毛状”纳米丝结构（通常称为fuzz结构）,fuzz结构会缩减钨材料的使用寿命并危及等离子体的稳态安全运行。因此,抑制材料钨中fuzz结构的形成是亟待解决的重要课题。对此,国内外已有很多研究,但是抑制效果均不理想。本文提出一种新型的调控fuzz的方案:在钨材料近表层引入空位陷阱,对氦泡行为进行有效调控,从而抑制fuzz的形成。本文使用动力学蒙特卡洛模拟方法,探究这种调控方法的有效性,寻找最佳调控参数和相关条件。主要的研究内容及结论如下:（1）研究了预设空位数密度、辐照温度、氦注量率等因素对氦的滞留量、氦的深度分布等氦行为演化的影响规律。结果表明,高空位数密度、低辐照温度、高氦注入率均会使氦滞留量增多,氦的整体分布靠近表面。氦泡尺寸及数量分布与预设空位数密度、氦泡形核机理有关。当氦自我捕获占主导时,氦泡数量明显减少,氦泡尺寸变得更大;当空位捕获占主导时,氦泡数量与预设空位初始分布相似,氦泡尺寸相对较小。（2）研究了氦自我捕获和空位捕获这两种形核机理对氦滞留量的贡献。对于高氦注量率(约1026 m-2s-1),氦自我捕获占主导地位,与温度和预设空位的数密度无关。对于中氦注量率(约1024 m-2s-1),在低温时,氦自我捕获占主导,对预设空位数密度不敏感;在中温时,氦的滞留量与预设空位数密度密切相关;在高温时,空位捕获占主导地位。对于低氦注量率(约1022 m-2s-1),空位捕获占主导地位。（3）研究了预设空位的深度分布对氦的滞留量、氦的深度分布以及氦的尺寸分布的影响规律。非均匀空位中钨离子入射能越低,氦滞留量越多,氦累积成泡速度越快,氦整体分布越靠近表层。对于低钨离子入射能量（50 ke V）,空位捕获占主导。对于中钨离子入射能量（100 ke V）,捕获氦方式与预设空位数密度相关:在低空位数密度（1 appm）时,氦自我捕获占主导;在中空位数密度（10 appm）时,氦自我捕获与空位捕获贡献近似;在高空位数密度（100 appm）时,空位捕获占主导。对于高钨离子入射能量（400 ke V）,空位捕获占主导。此外,非均匀空位的氦滞留量比均匀空位多,非均匀空位比均匀空位更易将氦固定在近表层,总之非均匀空位比均匀空位调控氦泡效果更好。通过本研究探索出材料钨中空位调控氦泡行为演化的有效参数和最佳条件:利用能量为50 ke V的钨离子对钨表面进行预辐照,形成100 appm空位即可对聚变堆运行条件下钨近表层的氦泡进行很好的调控,使氦泡尺寸较小,且深度分布小于10nm,抑制了深层大氦泡的形成。
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