聚變反應裝置材料在高能粒子環境下的損傷探究

何緒航

（上海星河灣雙語學校 上海 200000）

1 核能與核聚變

相比其他能源，核能擁有儲量豐富，低污染，高效率等許多優點。核能的利用方式主要有兩種：核裂變與核聚變。人類對核裂變的利用已經有豐富的經驗，1960年代，第一個商用核裂變堆投入使用，而如今，400余座核裂變反應堆滿足了全世界10%的電力需求。然而，雖然產量及其微小，但核燃料在使用過程中生成的長半衰期，高放射性的核廢料，仍然是不能忽視的環境與安全問題。

相比核裂變，核聚變不僅僅彌補了環境安全性的不足，并且為人類提供了一條近似于無窮無盡能源的道路。核聚變的燃料是氫的同位素，氘與氚。聚變反應過程不會產生任何長半衰期的高放射性核廢料。而且，自然界中含有的氘氚，足以保證人類上百億年的能源消耗，并且開采提取方法簡便。因此，核聚變的應用，將會徹底解決人類的能源問題。

1.1 核聚變反應堆

如今，最成熟，最尖端的聚變裝置主要有慣性約束裝置（如激光點火裝置）與磁性約束（如托克馬克裝置）。正在建造的國際熱核實驗反應堆（ITER）裝置，就是一種利用磁性約束理論的托克馬克裝置。該裝置理論上能夠釋放出10倍于用于維持聚變裝置運行的能量，也是本文主要探究的聚變反應堆。

1.2 聚變反應堆內的關鍵部件與結構材料

聚變堆的核心部件需要承受著極為嚴苛的運行環境。聚變堆的核心部件有第一壁，偏濾器以及堆覆層。這些部件承受著核反應的高熱，以及高通量的高能粒子的輻照，同時也要維持核反應的平穩進行[1]。因此，為了應對嚴苛運行環境的挑戰，保證聚變反應堆的安全與穩定，核心部件結構材料的選擇與設計，就極其重要。

由于金屬良好的延展性與強度，結構材料大多使用高性能的合金與金屬。其中，鐵基合金，釩合金以及鎢金屬是最為主流的高性能材料。這些合金與金屬已經被廣泛應用于工業生活中，科學界以及工業界也對它們的機械性能也有著很深入的認識。然而，這些結構材料在聚變反應堆中的表現仍然所知甚少。尤其是遭受聚變堆中高能粒子的輻照損傷后，結構材料是否仍然能夠滿足聚變反應堆的安全與設計要求，仍然需要大量的研究。

1.3 輻照對結構材料危害

高能粒子轟擊材料時，會跟材料中的原子發生碰撞，其傳遞給原子的能量，足以讓原子擺脫周圍原子的束縛，產生大量的離位原子。這個過程會對材料的機械性能造成極大的損傷。結構材料輻照損傷的劑量通常使用 DPA單位去衡量。在較低的輻照劑量下（<0.1DPA），金屬與合金材料的延展性會降低，變硬變脆。而在更高的輻照劑量下（>10DPA），金屬材料會發生相變與空洞腫脹[2]，這些損傷現象都會極大的降低核心部件的安全性能，危害到聚變反應堆的穩定運行。

1.4 輻照損傷的計算

1970年代NRT模型，是現在廣泛使用的，快速衡量輻照損傷的方法。模型提出，高能粒子輻照產生的離位原子數，vNRT：

其中Tdam，參數被稱作破壞能量，代表高能粒子產生的初級離位原子（PKA）的能量中，參與彈性碰撞的能量。從公式中也可以看出，破壞能量是取決于初級離位原子的能量的。多種數學物理方法可以用于衡量這兩者的函數關系，SRIM模擬計算就是其中的一種。本文將會使用SRIM計算Tdam以及離位原子數vNRT，從而衡量高能氦原子對金屬的損傷。通過這個方法，本文將會比較高溫氦離子，對兩種不同的結構材料，鐵基合金與鎢的輻照損傷，展示并討論兩者的不同。

2 研究方法

2.1 SRIM簡介

SRIM通過蒙特卡洛方法，模擬高能粒子入射進固體材料的物理過程。SRIM計算破壞能量Tdam，使用的如下公式：

2.2 SRIM參數設定

對于鐵基合金和鎢金屬，入射的氦粒子參數固定：質量為4amu，能量為1MeV，入射角為90度（粒子垂直于金屬表面入射）。為了使模擬的統計數據更有代表性，最小化隨機因素，兩種材料均模擬10000個氦粒子的入射過程，而最終的模擬結果則為所有入射粒子的算術平均。

3 模擬結果

3.1 鎢的模擬結果

圖1（a）展示的是10000個1MeV能量的氦粒子入射進入3微米鎢板后，運動軌跡的截面圖。粒子入射點圖左側的中點，圖上的紅色點代表入射氦粒子在鎢板中最后的停留位置，而白色的線則是氦粒子的運動軌跡。可以看到，由于氦粒子與鎢原子的碰撞經歷不同，氦粒子最終的停留深度，出現了范圍很廣的分布：大部分氦粒子分布在1到2微米的深度范圍內，而少部分的氦粒子，由于在碰撞后經歷了大角度的折射，最終的入射深度甚至小于0.5微米。

圖1：10000個1MeV氦粒子在（a）鎢金屬，（b）鐵基合金中的入射軌跡與深度分布圖

結合SRIM的模擬結果與Eq.1,Eq.2，可以計算出氦粒子對鎢板在不同深度下的輻照損傷，結果如圖2（a）。可以看到，1MeV的氦粒子對鎢板的輻照損傷，根據深度不同會發生很大的變化。一開始，隨著深度增加，輻照損傷也逐漸增加，深度為0 m時，損傷不到0.001DPA，而當深度到達1.4 m左右時，輻照損傷達到最大值，為0.05DPA。隨后，氦粒子的輻照損傷急劇減小，最終在1.75 m減小到0DPA。

圖2：1MeV氦粒子對（a）鎢金屬,（b）鐵基合金在不同深度下的輻照損傷

3.2 鐵的模擬結果

和鎢金屬同理，圖1（b）展示了氦粒子在鐵基合金板的軌跡與深度分布圖。和鎢金屬一樣，氦粒子在鐵基合金中展現了極廣的深度分布，大約在0.5微米與2微米之間。

同樣，也可以得到氦粒子對鐵基合金板在不同深度下的輻照損傷，如圖2（b）所示。和鎢金屬類似，鐵基合金內的輻照損傷也是一開始隨著深度上升，從0 m時的極小，上升到1.6 m時的0.018DPA，然后突降，在2 m時減小到0DPA。

3.3 比較與討論

鎢與鐵基合金的SRIM結果，展現了一些共性。首先，高能粒子在入射后的分布有很大的隨機性，這個隨機性會導致入射粒子的深度分布很廣。其次，高能粒子造成的輻射損傷，是隨著目標材料的深度不斷變化的，先隨著深度增大逐漸增大，在某一深度到達最高點，隨后突降到零。

然而，如圖1所示，鎢的深度分布與鐵基合金，也存在著差異。在模擬了數量相同的氦粒子的條件下，鎢的深度分布明顯比鐵基合金的范圍更廣，這個差異，極有可能是由于鎢原子相比鐵原子具有更大的碰撞截面，使得大角度的折射碰撞更容易在鎢中發生，從而導致深度范圍更廣。

同樣，雖然氦原子的能量相同，但對于兩種不同的材料造成的輻照損傷是不同的。對于鎢，氦粒子的造成的最大損傷，只有0.005DPA。然而對于鐵基合金，氦粒子造成的最大損傷，則達到了0.018DPA，是鎢板內輻照損傷的4倍。由此可見，改變材料的構成與結構，可以很大程度的改變高能粒子對于材料的損傷程度，說明了高性能材料的研究對核聚變堆的發展的重要性。

4 結論

通過SRIM模擬計算，本文探究了高能氦粒子對兩種核聚變核心部件的材料，鐵基合金與鎢的輻照損傷。通過大量1MeV氦粒子在材料中的運動軌跡，發現氦粒子的碰撞過程對于兩種金屬都具有很高的隨機性，導致了廣泛的粒子深度分布。同時，本文的工作發現，同樣的高能粒子輻照后，鎢金屬中產生的輻照損傷，要遠遠小于鐵基合金，說明了高性能材料研究對于聚變堆技術發展的重要性。