锂化对EAST壁材料燃料滞留和铜部件的影响

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核聚变能是一种取之不尽、用之不竭的绿色新能源,其中托卡马克装置被认为是最有希望成为最早得到实际应用的受控热核聚变装置。磁约束核聚变实验装置中,等离子体与壁相互作用(Plasma Surface Interaction,PSI)会带来面向等离子体部件(Facing Plasma Component,PFC)表面材料刻蚀和杂质再沉积,进而改变PFC表面组分并带来燃料滞留问题,影响燃料的效率、等离子体密度控制和等离子体边界的中性氢的密度。锂化是降低杂质控制、再循环并保证高性能的等离子体的有效壁处理方式之一,针对具有活跃性质的锂对燃料在壁材料钨中滞留的影响以及锂与PFC相互作用的研究,对准确了解PSI有重要意义,也为PFC工程优化提供基本的参考依据。  本文依托国家大科学工程东方超环(Experimental Advanced SuperconductingTokamak,EAST),开展装置等离子体辐照实验和实验室平台实验。EAST装置从2010年实验开始的锂化壁处理可极大的影响第一壁表面的刻蚀沉积及H同位素滞留的分布,其中2014年实验期间共加入2950g锂。本文介绍并分析了2014年EAST上不同位置处等离子体辐照后的标记样品和纯W(99.95%)样品。分析方法包括扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM),X射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy,XPS)及热脱附谱(Thermal DesorptionSpectrometry,TDS)等,分析发现下偏滤器外靶板打击点区域主要以刻蚀为主,穹顶和高场侧上样品主要以沉积为主,表面有清晰可见的白色锂化物沉积,下偏滤器内靶板上打击点区域标记样品也以沉积为主。内靶板上的打击点附近的滞留量最大为8.41×1021molecules/m2,偏滤器区的滞留脱附温度明显高于高场侧的滞留脱附温度。研究表明:纯W样品中的缺陷和空位是捕获D的主要机制,W材料中的滞留主要集中在高温区,且锂与氘共沉积会带来D的滞留。  基于EAST下偏滤器热沉后裸露于等离子体中的紫铜管被腐蚀穿孔的现象,针对可能存在的锂对上偏滤器上的钨/铜部件焊缝处裸露铜的性能影响,本论文研究实验室中锂铜相互作用对铜的影响。在硅基板上采用磁控溅射和电阻蒸镀方法相结合制作Cu-Li-Cu多层样品,在对这些样品进行不同温度100℃,280℃,480℃和600℃的热处理,热处理时间为8h,速率为6℃/min。通过SEM、X射线衍射谱(X-ray Diffraction)以及卢瑟福背散射谱(Rutherford BackscatteringSpectroscopy,RBS)等手段分析样品。结果表明:当温度上升到480℃时,低原子百分比的锂与铜发生反应并在铜中扩散。补充实验研究低温下锂对铜的腐蚀作用,并针对置于纯铜中的锂进行240℃,320℃和400℃,保温8h的热处理,实验之后采用SEM和分析天平对样品进行表面形貌和质量变化的分析。结果表明:熔化的锂对铜的腐蚀优先从铜的晶界处开始,此处可能存在一些杂质,容易被腐蚀,一旦将晶界腐蚀,剩余的锂可以穿过腐蚀的晶界使更深处的铜被腐蚀。三个温度下的腐蚀速率分别为0.7875,0.925和3.3275mg/h。这些结果将对EAST锂化壁处理情况下保护可能裸露的铜部件提供实验参考。
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