磁約束可控熱核聚變堆中的第一壁材料鎢的研究狀況和面臨的若干問題

丁文藝， 何海燕， 潘必才

(中國科學技術大學 物理系，安徽 合肥 230022)

磁約束可控熱核聚變堆中的第一壁材料鎢的研究狀況和面臨的若干問題

丁文藝， 何海燕， 潘必才

(中國科學技術大學 物理系，安徽 合肥 230022)

本文介紹了磁約束可控熱核聚變堆中面向等離子體第一壁材料的服役環境.闡述了熱負荷和高能粒子輻照對第一壁鎢材料結構的影響.針對該領域中的研究狀況，分析了所存在的迫切需要解決的若干問題.

第一壁材料鎢；聚變堆；氫泡

目前人類社會所使用的能源主要來自化石能源，然而有限儲存量的化石能源無法滿足人類社會日益增長的需求，這就要求科技界去尋找和研究各種可能的新能源.在過去的幾十年里，科學工作者已經對風力發電、水力發電、太陽能發電、核能發電等進行了大量的研究.在這各種各樣的新能源研究中，唯一能徹底解決人類能源需求難題的是受控熱核聚變.這是因為，受控熱核聚變中所使用的原料氘和氚在海水中有著極其豐富的含量，同時核聚變不會產生核裂變所出現的長期和高水平的核輻射，不產生核廢料，也不產生溫室氣體，基本不污染環境，提供的是清潔能源.正因為如此，國內外均對此進行著不懈的努力，并獲得了重大的進展[1-4].2006年，國際上啟動了全超導磁約束國際熱核實驗堆(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)的建設[2]，向熱核聚變實用化的方向邁進.

在熱核聚變反應堆運行時，內部不斷的進行著核聚變反應，并產生大量攜帶有高達14MeV能量的中子以及其他高能粒子，且反應內部全部物質處于高溫高壓的等離子態.聚變堆的第一壁是實驗包層模塊直接面向等離子體的部件，因此其組成材料又被稱為第一壁材料(Plasma Facing Materials, PFMs)，按照ITER設計要求，局部表面需要承受的峰值熱流密度高達20MW/m2.不僅如此，還要有效地控制進入等離子體的雜質(PFMs材料的碎片)，這些雜質會對等離子體造成污染，嚴重的影響著聚變反應的進行.同時，為了快速的有效的移走輻射到材料表面的熱功率，第一壁材料還要與導熱性能卓著的熱沉材料(銅或銅基)連接，這就要求第一壁材料與熱沉材料在反應堆服役環境下進行匹配.

由于第一壁材料面對的是一種極端的環境，所以尋找和研制第一壁材料成為ITER能否正常運行的關鍵問題之一.目前，人們已經嘗試了多種可能的第一壁材料，其中最典型的第一壁候選材料是鈹(Be)[5-10]、碳(C)基材料[10-14]和鎢(W)基材料[15-31].作為第一壁候選材料，Be的優點是其原子序數低、高彈性模量、抗氧化能力強、導熱性優異、中子吸收界面小且散射截面大，同時，H的同位素在鈹里的滯留量及溶解度都很低.然而，中子輻照會誘發Be晶體結構的較大變化以及會產生大量的嬗變產物(He，H，D，T)，由此會引發Be的腫脹從而影響Be的熱力學性能.同時，Be的熔點也較低，抗熱負荷沖擊的能力有限，且毒性很強，因而Be不是理想的第一壁材料.碳基材料(如摻雜石墨，碳纖維復合材料等)中元素的原子序數也很低、具有良好的導熱性能、在高溫時仍能保持一定的彈性強度、具有高熔點、很好的抗熱負荷沖擊能力和無毒性.實驗上也取得了很大的進展，但其中的碳元素具有較高的濺射刻蝕率、易滯留氫及其同位素、受中子輻照后碳基材料容易脆化且韌度和熱導性能急劇下降，這嚴重限制了碳基材料在第一壁材料上的應用.近些年來，人們將目光轉向了鎢基材料.這是因為W具有高的原子序數、很高的熔點、低蒸氣壓，低熱膨脹率，高強度和低的H及其同位素滯留率的性能，目前它被認為是最具前景的第一壁材料.為了給相關研究人員提供參考，作者在這里專門介紹第一壁材料W的部分研究現狀以及面臨的若干難題.

1 第一壁材料鎢抗熱負荷性能的研究

在ITER運行時，一方面，第一壁材料承受著核聚變反應產生的各種高能粒子的輻照以及極強的電磁輻射，從而獲得核聚變反應堆產生的能量；另一方面，第一壁材料還必須通過熱沉材料快速有效的將這些熱量輸送出去.這就要求第一壁材料能承受高能粒子長時間的輻照，同時還要求第一壁材料和熱沉材料必須能夠在維持自身結構穩定性的情況下多次長時間地將反應堆產生的熱量輸送出來.目前，國內外許多研究組對鎢基材料表面的抗高能粒子腐蝕和抗熱沖擊性能力進行了大量的研究[19-24].如果高原子序數的W原子及其集團從鎢基材料的表面被濺射出來，進入反應堆等離子體區域從而污染等離子體，會危害核聚變反應的進行.實驗研究表明，在高熱負荷的情況下，W表面區域確實有鎢原子或集團被濺射出來.然而，W原子被濺射出來所對應的物理條件尚不清晰.從物理上看，W原子從材料的表面濺射出來，是因為這些原子獲得了較大的動能，足以斷裂單個或多個W-W鍵.同時，這些原子動量總的方向應該指向表面區的外側.從微觀角度看，斷裂W-W鍵所需的能量與對應原子的環境配位有關.在熱負荷沖擊下，W材料的表面形貌應該發生了變化，因而表面區域的W原子的局部結構會發生改變.但是，我們還沒有從原子化的尺度上揭示出W表面的形貌，為了研究這一問題，需要開展大規模的理論模擬研究工作.

當表面的熱負荷較大時，第一壁材料的表面層會出現裂紋、鼓泡、再結晶等復雜的現象.實驗研究表明，一旦出現這些缺陷，樣品表面溫度會急劇上升，這是因為含缺陷的材料導熱性能會極大地降低，致使局部溫度驟升，從而又會誘發新的缺陷的產生.中科院等離子體物理研究所研究組[7]指出樣品本身所存在的氣孔和雜質等在熱負荷下使材料產生裂紋也是導致材料抗熱負荷性能降低的重要因素之一.有趣的是，如果在體系中進行適當的摻雜，例如摻入約1%的La2O3[23]則材料的抗熱沖擊能力會有一定程度的增強，摻入原子比例為0.03%-0.04%的鉀(K)[20-21]能夠顯著地提高制備材料的致密度和硬度.這說明適當地摻雜能提高第一壁材料的熱力學性能.然而，目前專門針對W表面在高能量粒子輻照和熱負荷環境下的研究還不多，對熱負荷導致缺陷的的機制還不是完全清楚.

2 第一壁材料與熱沉材料連接的問題

雖然W材料具有高熔點、低熱膨脹系數、高強度等優點，但是它的熱導性能卻很差.為了能將熱量快速地釋放出去，人們想到了將W與另一種導熱性能優異的材料(例如銅(Cu)或銅的合金)連接[15-22].這樣既利用了W作為第一壁材料所擁有的優勢，又能通過熱沉材料很快的將熱量傳導出來.然而，W和Cu的熱膨脹系數不匹配(熱膨脹系數相差達3-4倍)，如果直接焊接在一起，那么在服役過程中在其界面上勢必會產生巨大的熱應力，材料中的連接部分很容易斷裂進而使材料失效.為了在應用中能同時發揮W和Cu的優勢，人們就必須對這種復合材料進行人工設計，并對其熱輸運性能開展研究以滿足應用的需要.鑒于此，人們提出了采用若干個中間過渡層來連接純W層和純Cu層，以緩解局部過大的熱應力，每一中間過渡層由一定比例(WxCu1-x)的W和Cu混合而成，于是由這些W/Cu比例變化呈梯度分布的過渡層所組成的材料—W/Cu功能梯度材料應運而生.目前實驗上已經設計制備出W/Cu梯度材料[19,22,28-31].圖二為北京科技大學研究組制備的W/Cu功能梯度材料的SEM圖片[22]，表一列出了各過渡層的組份配比.由圖可以看出，各相鄰過渡層間的組份是跳變的，過渡層之間存在著明顯的界面，在每個過渡層中，成分的分布在空間上也是變化的(見圖一中右邊的照片)，且存在著孔洞.

圖1 W/Cu功能梯度材料的SEM照片，左側是總個梯度材料的橫截面，右側是第五個過渡層，摘自文獻[22].

Y.W.Wang等[24]的研究顯示W/Cu梯度材料過渡層之間的界面對應力波的傳輸有重要的影響；北京科大研究組采用彈性理論對W/Cu梯度材料的成分分布與熱應力的關系進行了數值模擬[17]，他們的研究表明，在W/Cu梯度材料中，從100% W層向100% Cu層過渡時，體系的熱應力隨中間過渡層數目的增多而不斷地緩解.顯然，中間的過渡層對緩解熱應力是非常有用的.

表1 實驗制備的W/Cu功能梯度材料各單層中W與Cu的組份配比.摘自文獻[22].

如前所述，對W/Cu梯度材料，相鄰的過渡層均由不同的W-Cu組分構成，而Wen-C.Chiang和David V. Baxter的實驗[26]顯示熱膨脹系數隨W-Cu組分的變化十分敏感.據此可知，如果相鄰的過渡層的組份分布不合適，則導致相鄰過渡層之間的熱膨脹系數有較大的差別.當施加溫度場后，相鄰過渡層之間會出現較大的熱應力，會極大地降低材料的力學性能[18].另一方面，為了能有效地移走材料表面的熱功率，材料的導熱能力是至關重要的.于是，我們一方面要探討界面處的原子間排列對界面熱應力的影響，另一方面還要研究如何調控相鄰過渡層的組份分布，以降低由界面所導致的熱導性能的影響.我們注意到，實驗雖然觀測到了W/Cu梯度材料熱膨脹系數的大小與過渡層中組份存在關聯的現象[16]，但并未總結出相關的規律.要實現材料功能的人工調控，揭示材料熱膨脹系數的大小與自身的組份和結構關聯的內在規律是十分重要的研究課題.

3 鎢中的氫氣泡

實驗發現W材料不僅要遭受高能粒子諸如中子、氫(H)及其同位素(D、T)和氦(He)的撞擊，也面臨著隨之而來的氫氣泡、氦氣泡的危害[32-34,41,42].這些H氣泡、He氣泡將嚴重地危害了W材料的力學性能，從而影響W材料的使用壽命.更進一步，這些氫氣泡氦氣泡會產生碎片從而會危害聚變反應，因此有必要對氫氣泡和氦氣泡形成機制進行研究.下面介紹關于氫氣泡的一些研究工作.

近年來，有很多工作致力于研究W材料的H氣泡形成機制[35-40，43,44].實驗研究發現W材料在遭受高通量的H同位素輻照后會在其表面產生氣泡.一般來說，氣泡的產生與W材料和H同位素之間的相互作用有關，特別是W材料中的缺陷諸如點缺陷(原子空位等)，線缺陷(位錯等)和面缺陷等.在這些缺陷中，單原子空位被認為是氫氣泡產生的根源，研究發現單個W原子空位能夠容納10個H原子[37].然而，10個H原子相對于氫氣泡而言H的含量非常小.因此，單原子空位僅僅是一個研究氫氣泡的模型.要想達到實驗觀測到的氫氣泡，這種類型的氫氣泡必須長大.一個可能的方式是：該空位中的H原子破壞附近的W-W鍵，并且一些W原子必須要遠離這個空位，如此這般，空位將形成一個孔洞，于是更多的氫原子將聚集在這里從而最終形成氫氣泡.如果這就是氫氣泡形成的原因，每一個遠離的W原子將被H包圍著；然而這樣的W-H碎片卻很難從孔洞中遷移出來，W-H碎片將保留在孔洞中，最終H氣泡也就很難長大到實驗觀測的尺寸.

H氣泡的形成與其在體系中的遷移行為密切相關，因為H的遷移行為是決定H氣泡能否聚集成核、能否長大的重要因素之一.計算表明，在有應力情況下，H在W體系中的遷移具有一定的方向性[36]，可能會誘使H在體系中的聚集.而應力在材料中是很常見的，如點缺陷、線缺陷、面缺陷等附近存在很大的局部應力.層錯就是一種常見的面缺陷.從結構上看，層錯這種類型的缺陷存在著一個很大的缺陷區域，其中的W-W相互作用又弱于W晶體中的W-W相互作用，因此，H原子將有一定的概率在這個缺陷區域形成氫氣泡.

第一性原理計算表明，H從層錯附近的穩定的吸附位置遷移到層錯中的吸附位置只需要跨越約0.14eV的勢壘，而反過來，從層錯位置遷移到層錯的外部卻要跨越1.24eV的勢壘(如圖2)[35].顯然，層錯對H原子而言是一個較深的勢阱，層錯附近的H原子很容易被層錯俘獲.

進一步的計算顯示層錯中的H原子只需跨越0.26eV的能量就能夠在層錯中移動.結合前述H原子在層錯附近的行為，我們很容易想到如此的一幅圖像：層錯附近的H原子很容易被層錯俘獲，俘獲的H原子也比較容易的在層錯內部擴散，如果這些現象一直發生，那么，經過一段時間之后，層錯處的H含量將很高，而層錯處本來就已經很弱的W-W鍵就會被不斷積聚在附近的H進一步削弱.隨著附近的H的含量的增加，進而破壞層錯處的W-W鍵，最終形成較大尺寸的H氣泡.

實驗發現，鎢中的氫泡主要分布在鎢的表面區域.于是，有必要將H在表面區層錯處形成氣泡的能力與在鎢的塊體中層錯處形成氫氣泡的能力進行對比.如圖FIG. 3 所示，理論上考察了H吸附量由1個到54個(對應層錯處面覆蓋度為3.4×1015個/cm2)的情形.圖中藍線為薄膜模型的H吸附的形成能(平均到每個H原子上)，紫色表示含層錯的體結構模型.在H吸附含量較少時，他們的行為基本一致，但當H吸附達到35個(對應覆蓋度為2.2×1015個/cm2)時，形成能開始從負值轉變為正值，之后直線上升.通過統計層錯處上下兩側間的W-W平均鍵長隨吸附的H原子數之間的關系，可以看出，在H吸附量低于2.2×1015個/cm2時鍵長值均小于2.8?，這個值是在正常的體結構鍵長(2.74?)附近；當H吸附量超過2.2×1015個/cm2時，W-W鍵長急劇增大，特別是在H吸附量達到3.4×1015個/cm2時，層錯處平均鍵長達到3.3?，這比正常體結構中鍵長大了20%，可以認為該處W-W鍵斷裂了.圖中插入的小圖為H吸附分別為15個和54個的情形.前者層錯處W-W鍵正常，而后者層錯處W-W鍵消失.可以想象，此時體系中存在著更大的空洞，可以吸附更多的H原子，當體系吸附的H原子數繼續增加，H氣泡也將逐漸形成，最終宏觀可見的H氣泡也將形成.

圖3 薄膜模型和體結構模型的H吸附的形成隨吸附H原子數的關系以及薄膜模型中層錯處的W-W鍵長隨吸附H原子數之間的關系，圖中小圖分別是薄膜模型吸附15個H和54個H的情形.摘自文獻[35].

必須指出，H泡的形成機理是十分復雜的，并非單靠面缺陷聚H就能解釋全部的實驗現象.實際上，H在W中對W具有一定的“腐蝕性”，會造成一定量的局部缺陷.但這些缺陷運動而聚集時，也會產生較大尺寸的H泡[41].目前，尚未見到對這一問題進行細致研究的報道.

4 結束語

我們介紹了熱核實驗堆中第一壁材料所面臨的一些科學問題，這些都是該領域正在探究但尚未獲得最終答案的問題.除此之外，如何減少W中氚的滯留也是非常重要的課題.從凝聚態物理的角度來看，對W進行適當的摻雜也許能提升其抗熱負荷、抗輻照損傷和減少氚滯留的能力.然而，采用什么樣的元素進行摻雜以及摻雜的計量對其處于極端條件下物理性質的影響卻是未知的.

在如此的極端環境中對材料進行實驗檢測，需要花費昂貴的代價.然而，開展大規模的理論模擬研究工作卻是一個很好的研究極端條件下材料性能的途徑.目前，對第一壁材料的理論研究主要停留在基于經驗勢的大規模長時間的模擬和基于第一性原理的小規模計算.這些研究獲得了許多有價值的成果，但與科學研究的目標相差太遠.其中，經驗勢不是建立在量子理論的基礎上，其計算結果的可靠性不是很高，也不能解釋微觀體系中物理現象的本質.而基于第一性原理的計算固然很可靠，并且也能深刻地揭示物理現象的本質，但計算量太大，目前的計算條件不足以支持采用第一性原理計算第一壁材料中復雜的物理問題.所以，在該領域發展理論計算方法也是必要的.這需要具有凝聚態物理、材料物理、數值計算背景的研究人員開展密切的合作，解決第一壁材料中的跨尺度計算.

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TheReviewandSomeProblemsabouttheFirstWallMaterialsTungsteninMagneticConfinementFusionReactor

DING Wen-yi, HE Hai-yan, PAN Bi-cai

(Department of Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230022, Chian)

In this paper, we briefly introduced the main factors influencing the working status of the plasma facing materials in the magnetic confinement fusion reactor, and presented how the thermal load and the highly energetic particles impacted on the structure of the first wall material of tungsten. In addition, according to the situation in this field, some urgent concerns in research were discussed.

the first wall materials; fusion reactor; H bubble

2014-06-20

國家自然科學基金(11275191).

潘必才(1965-)，男，安徽潛山縣人，安徽師范大學物理系1980級校友.中國科學技術大學物理系教授，博士，博士生導師.1993年于中國科學技術大學物理系獲博士學位.2001年獲第七屆中國青年科技獎.2003年入選中國科學院“百人計劃”.主要從事凝聚態體系的結構、電子結構、晶格振動等物理性質的理論計算研究，近年針對磁約束核聚變裝置中的第一壁材料發展新的理論計算方法.

丁文藝，何海燕，潘必才.磁約束可控熱核聚變堆中的第一壁材料鎢的研究狀況和面臨的若干問題[J].安徽師范大學學報：自然科學版，2014，37(4)：314-319.

O469

A

1001-2443(2014)04-0314-06