中子辐照下钨材料缺陷产生与再结晶的模拟研究

作     者：张国帅 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：叶民友

授予年度：2023年

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

主      题：磁约束聚变 钨 中子辐照 团簇动力学 辐照诱导再结晶 

摘      要：磁约束聚变是实现聚变能和平利用的途径之一,目前主流的磁约束聚变装置为托卡马克。在未来聚变实验堆或示范电站运行过程中,面向等离子体材料(Plasma-facing material,PFM)将服役在高通量聚变中子辐照(能量峰值约14 MeV)和高热负荷(大于10 MW·m-2)的严苛环境下。因此,钨由于具有高熔点、高溅射阈值、低燃料滞留量等良好性能被确定为未来聚变堆PFM的候选材料。然而,中子带来的辐照损伤以及高温环境会导致钨内部微观结构的改变,并诱导再结晶的发生,导致晶间脆化,威胁反应堆的运行安全。然而目前还没有聚变装置可提供聚变中子源,因此普遍采取模拟手段研究钨的聚变中子辐照效应。相较于裂变中子实验模拟研究,数值模拟研究在解释相关辐照损伤机理方面具有不可替代的作用,已成为模拟聚变中子辐照效应的重要手段。本文为了研究钨在中子辐照环境下,内部缺陷的演化及其对再结晶过程的影响,采取团簇动力学(Cluster Dynamics,CD)方法模拟缺陷的长期演化并建立考虑了辐照增强驱动力效应和晶界迁移效应的辐照诱导再结晶(irradiation-induced recrystallization,IIR)模型。本研究的内容和结果主要包括两部分。首先,本文在建立模拟中子辐照下钨内部缺陷演化的平均场CD模型后,系统分析和讨论了不同参数设置对缺陷演化结果的影响,包括位错密度、晶粒大小、中子能谱、辐照温度和辐照时间。其中,在不考虑嬗变元素的影响下,位错密度和中子能谱对缺陷的演化影响很小,但晶粒大小、辐照温度和辐照时间会影响辐照缺陷的演化,尤其是辐照温度和辐照时间将很大程度上决定辐照缺陷的尺寸分布。其次,本文在建立纳入了辐照增强晶界迁移因子(R)的IIR模型后,通过与最近HFIR(High Flux Isotope Reactor,USA)堆钨中子辐照实验结果进行对比后发现,引入R后IIR模型的模拟结果与实验结果基本吻合,表明辐照诱导再结晶过程并不只受到辐照增强再结晶驱动力效应的影响,也会受到辐照增强晶界迁移效应的影响。在验证模型的可靠性后,本文使用IIR模型预测了钨在EU-DEMO(European Demonstration Reactor,conceptreactor)外赤道面第一壁处中子能谱辐照下的再结晶过程。模拟结果表明,如果按照两年服役时间内确保钨不会达到一半再结晶分数的要求,钨的长期服役温度应保证在700℃以下。