纯钨及氧化物弥散强化钨合金对瞬态热负载的响应

   在未来托卡马克聚变装置稳态运行过程中, 偏滤器部位要承受两种类型的高热负载, 一是大约10 MW/m2的稳态运行功率通量, 二是来自第Ⅰ类边缘局域模(ELMs)的瞬态热负载。ELMs瞬态热负载的典型参数脉宽为0~1 ms, 能量为1 MJ/m2, 发生频率大于1 Hz。在服役期间偏滤器位置的面向等离子材料要承受大约上亿次ELMs的冲击[1–2], 这种特殊环境对材料选择提出了苛刻的要求。钨以其熔点高、溅射产额低、氢同位素滞留量小等优点被列为目前首选的面向等离子候选材料。国际热核聚变实验堆(ITER)即选用纯钨作为偏滤器部位的面向等离子材料[3–7]。纯钨的缺点是室温下机械加工性能差、韧脆转变温度(DBTT)高以及再结晶温度低等。通过向纯钨中添加稀土氧化物等弥散颗粒, 可以改善其机械加工性能, 提高其高温下的机械强度, 降低DBTT,提高再结晶温度等等。作为面向等离子的候选材料之一, 氧化物弥散强化的钨合金也是近来研究的热点[8–11]。 

    由于托卡马克装置的实验资源有限, 等离子体参数范围较窄, 并且这些有限的大型装置还要承担聚变相关的其他研究, 所以ELMs瞬态热冲击下材料性能主要依靠激光、电子束设备、离子束等实验室设备来进行模拟研究, 用这些装置取得的实验结果为未来聚变堆的材料选择提供了重要参考[12–17]。

   本文采用强脉冲离子束(IPIB)装置研究了几种钨基材料对瞬态热负荷的响应。IPIB的脉冲形式与ELMs不同, 其差异主要在于IPIB脉冲时间更短, 单脉冲能通量小, 但功率密度大。因此IPIB负载下的温度影响层的厚度较ELMs浅, 但脉冲效应会强于ELMs。鉴于我们主要关心研究材料表面的状态, 因此本研究通过调节IPIB的参数, 使材料表面达到与ELMs负载下相同的最高温度, 以此建立二者的等效关系。

   本文以IPIB为实验手段, 通过改变不同的IPIB辐照次数, 对纯钨、WL10和WYT 这3种重要的面向等离子体候选材料的抗高热负荷的性能进行了研究。实验表明, 钨、WL10和WYT在类似ELMs的瞬态热负载作用下, 表面都产生了裂纹。在类似ELMs的瞬态脉冲作用下, 材料表面在很短的时间内经历快速升温和降温, 高的温度梯度导致高热应力的产生, 当热应力超过材料的抗压和抗拉强度时, 就产生了裂纹。氧化物弥散加强的钨合金材料面临的问题是: 弥散添加相由于熔点低、热导率差等原因而被优先烧蚀掉; 弥散添加相降低了材料整体的热导性能, 熔融烧蚀严重。从目前实验结果来看, WL10和WYT合金不适宜做面向等离子体材料。为了达到面向等离子体时抗热负载的需求, 可以尝试从以下方面进行改进: 寻找合适的弥散添加相, 控制含量, 平衡其机械和热学性能; 改进制作工艺, 细化和均匀弥散添加相。