1、ASIPPTiC增强增强W基面对等离子体材料基面对等离子体材料性能研究性能研究学 生：刘 洋指导老师：陈俊凌 研究员 2010.12.20ASIPP目录目录v 研究背景v 国内外研究现状v 拟采用的方法v 实验进展 ASIPP研究背景第一壁（第一壁（First wallFirst wall）:直接面对热等离子体直接面对热等离子体偏滤器（偏滤器（DivertorDivertor）：）：承受极强的热流与粒子轰击承受极强的热流与粒子轰击 磁约束聚变能的最终实现面临的两大难题：高参数稳态等离子体物理问题 托卡马克及未来反应堆中关键材料问题 面对等离子体材料（Plasma Facing Material
2、PFM）ASIPP 等离子体与材料相互作用：从壁材料释放的各种粒子可能被输运到等离子体约束区，从而对等离子体的约束特性造成不利影响；等离子体粒子和伴随的能量流对面对等离子体材料的损伤。研究背景等离子体与壁相互作用过程简图ASIPP 托卡马克中流向壁的热通量与其他过程的比较研究背景ASIPP PFM的选择：迄今研究得最多的PFM是碳（C)、铍（Be）和钨（W）：C的优点是低 Z、热力学性能好、不熔化、升华温度高；缺点是高的溅射刻蚀率、与氚共堆积滞留、中子辐照脆化等。Be的优点是低 Z、吸氧能力强、H同位素(包括氘和氚，以下如无特殊说明均用 H表示)滞留较小；缺点是低熔点、高溅射和毒性等。W基材料
3、以其高熔点、低溅射、不与 H发生化学反应、H滞留低等特性被视为未来托卡马克/聚变堆中最可能全面使用的 PFM；其缺点是存在高 Z杂质辐射、中子辐照脆化/硬化、高热负荷下再结晶脆化甚至熔化/蒸发等。研究背景ASIPP 课题的提出：鉴于 W在未来壁材料中的重要地位，针对其最主要的辐射问题，德国在ASDEX-U托卡马克上开展了系统的W壁物理实验，结果表明：W杂质向芯部等离子体的传输过程受到多种辅助加热手段的有效抑制。此外，约束水平提高后，边界层中的离子能量降低，物理溅射降低，W杂质产额减少。尽管W杂质的高辐射问题能够得到有效的抑制，但W基PFM在核聚变装置中的应用还存在一些问题：低温脆性；再结晶脆化
4、；辐照效应的影响。因此，有必要对W基PFM进行强化研究。对W的强化手段主要有固溶强化，细晶强化及第二相颗粒弥散强化。ASIPP国内外研究现状 固溶强化 固溶强化是一种较常用的合金强化方法，其性能较合金化之前明显提高。对W而言，可考虑的固溶元素有锝（Tc）、钌（Ru）、铼（Re）、锇（Os）、钛（Ti）等。Ref Y.Mutoh,K.Ichikawa,K.Nagata.Effect of rhenium addition on fracture toughness of tungsten at elevated temperatures.Journal of material science,3
5、0(1995)770-775ASIPP国内外研究现状 细晶强化 实验表明，常温下细晶组织比粗晶组织有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶组织在收到外力发生塑性变形时，可以分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小。此外，晶粒越细，越不利于裂纹的扩展。SampleW02W10W100Grain size,0.2110Thermal conductivity,wm-1k-1105128140Microhardness,Hv1107.5811.5710.5Bending strength,MPa658.3532.6322.9mProperties of tungsten with d
6、ifferent grain size Ref Zhangjian Zhou,Gerald Pintsuk,Jochen Linke,etc.Transient high heat load tests on pure ultra-fine grained tungsten fabricated by resistance sintering under ultra-high pressure.Fusion Engineering and Design,85(2010)115-121ASIPPSEM images of loaded surface after heat loading at
7、0.22GWm2,(a)W02;(b)magnification of(a);(c)W10;(d)magnification of(d).国内外研究现状exfoliationASIPP国内外研究现状 第二相颗粒弥散强化 第二相颗粒的加入不仅可以强化晶界，提高强度，而且可以阻碍再结晶的进行。一般加入的第二相颗粒有碳化物颗粒（TiC，ZrC等）和稀土氧化物颗粒（La2O3，Y2O3等）。Pure W W+0.5%TiCRef H.Kurishita,S.Kobayashi,K.Nakai,etc.Development of ultra-fine grained W-(0.25-0.8)wt%Ti
8、C and its superior resistance to neutron and 3 Mev He-ion irradiations.J.Nucl.Mater.377(2008)34-40.ASIPP国内外研究现状SEM micrograph of specimen surface after irradiation with 3MeV He-ions to for pure W2221.8 10/He mexfoliationASIPP拟采用的方法 研究内容 W晶粒尺寸及纳米TiC的加入对W合金瞬态热负荷和等离子体辐照性能的影响；初步评价在热负荷或等离子体辐照实验中W/Cu界面问题。
9、材料制备 1,2-钢板和石墨板；3-叶蜡石套；4-压力系统；5-WC-Co硬质合金；6-样品生坯通电超高压烧结设备示意图ASIPP 性能测试拟采用的方法Samplehigh-power diode systemhigh-voltage power supply SEM-实验前后表面形貌观察 EDS-实验前后样品表面元素分析 XRD-实验前后样品表面物相分析 强流脉冲离子束设备（瞬态热负荷）示意图 等离子体辐照实验示意图ASIPP 完成了粉末原料的成分设计和制备工艺设计，并进行了预烧结可行性试验；初步完成了热负荷实验的设备调研；2011年1月上旬完成第一批样品；2011年2月下旬开始热负荷或等离子体辐照实验，并对实验前后样品的性能进行测试和表征；实验结果分析，对成分设计，制备工艺设计进行优化。（进行PFM与热沉材料的功能集成研究）实验进展ASIPP谢谢谢谢
