低能大流强He+辐照钨纳米丝温度分布的研究

作     者：李晓萍 

作者单位：大连海事大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张映辉

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0827[工学-核科学与技术] 082701[工学-核能科学与工程] 

主      题：钨纳米丝 碰撞过程 钨丝表面He通量 热负荷 

摘      要：在实现聚变能商业化的道路上,面向等离子体材料的研究刻不容缓。因此,研究面向等离子体材料和聚变环境下等离子体的相互作用具有重要的科学意义。本文根据钨丝层中He离子的碰撞过程,建立了 He+辐照下钨纳米丝表面He通量分布的模型。通过考虑离子碰撞、反射和注入过程、离子的表面结合以及钨丝层的热传导过程,成功地计算了 He+/D+辐照下钨丝层的热通量以及温度分布。本文利用自主设计的高功率射频离子源产生高密度等离子体,模拟面向等离子材料所处的等离子体环境,进一步研究了高温氢辐照对钨丝微观结构的影响。在聚变相关的He等离子体辐照条件下,钨纳米丝的形成对材料的抗辐照性能及钨丝间隙内He的分布产生显著的影响。论文第三章根据钨丝层中He离子的碰撞过程,建立了 He+辐照下钨纳米丝表面He通量分布的模型。研究表明钨丝表面He通量随着深度的增大而减小,在深度3.3 μm处,钨丝表面He通量是表层的百分之一。此外,钨丝表面He通量随着注入离子通量的增加而线性增长,但是与注入离子的能量几乎无关。钨丝层厚度越大,钨丝表面He通量越小;而随着钨丝半径的增大,钨丝表层的He通量会明显增大。模拟结果表明钨丝对He+具有阻碍作用,同时可以进一步为聚变辐照损伤的表面能流提供理论计算参数。论文第四章模拟计算了钨丝层的热通量和温度分布与离子能量、离子通量、钨丝层厚度以及钨丝半径的关系。在聚变相关的He+/D+辐照下,当E0100 eV和Γ01.0×1024/m2.s时,分流器上的热负荷小于10 MW/m2,而钨丝表层与底部的温差小于35 K。在稳定的He+/D+辐照下,钨丝的生长不会显著影响其温度分布和热扩散。在聚变相关的He+/D+辐照下,钨丝表层的热通量仅为总热负荷的13-19%,这表明钨丝层可以非常有效地降低极高的热负荷。高温辐照下,钨丝的形貌结构会发生很大的变化。本文利用自主设计的高功率射频离子源设计了一系列的实验,研究了辐照温度对钨丝结构演变的影响。实验结果表明辐照温度低于1400 K时,样品表面微观结构几乎与氦等离子体预处理后的样品表面一样,钨丝结构受该温度的影响不大,而当辐照温度高于1400 K时,纳米丝状结构是不稳定的,随着温度的增大,丝状结构开始出现退化,钨丝半径越来越大。当温度达到2000 K时,样品表面的钨丝完全消失,该条件下的钨丝是极其不稳定的。