Acta Mater.: 具有納米孔道結構鎢的抗輻照性能研究

【引言】

在聚變堆中，面向等離子體材料(PFMs)要遭受空前惡劣的環境，包括高束流等離子體的撞擊或侵蝕 ，14.1 MeV的中子輻照以及穩態甚至瞬態熱負荷的反復沖擊。金屬鎢 (W) 材料本身由于具有優異的物理化學性能，被認為是最有前景的PFMs。然而，在這種極端環境下，快速聚集的氦原子會導致鎢中氦泡的形核，甚至會在鎢表面形成“fuzz”納米絲結構，這些會嚴重退化鎢本身的性能，減短其服役壽命。納米絲結構一旦發生剝落，會嚴重影響堆芯等離子體的穩定性。氦泡對納米絲的形成和生長有重要影響。因此，通過設計新型納米結構有效降低W中He的濃度對開發優異性能的面向等離子體鎢材料至關重要。

【成果簡介】

近日，武漢大學秦文靜（第一作者）、任峰教授（第一通訊作者）團隊與洛絲阿莫斯國家實驗室的Yongqiang Wang博士（第二通訊作者）、美國加州大學圣地亞哥分校Russell P. Doerner、湖南大學鄧輝球教授等合作共同在Acta Mater.上發表了一篇關于聚變堆面向等離子體鎢(W)的文章，題為“Nanochannel Structures in W enhance radiation tolerance”。

由于氦泡成核以及它對微觀結構(fuzz)和性能（硬化、脆化）產生影響的根本原因是氦原子不溶于鎢，那么在輻照的過程中如果可以及時的釋放氦原子就可以有效抑制氦原子在鎢中的形核。從這個角度出發，該團隊設計了一種含有納米孔道的晶柱狀鎢薄膜。通過高能氦離子輻照以及低能大束流氦等離子體輻照實驗發現，相對于傳統的塊體鎢材料，這種具有高比表面積的納米孔道結構鎢薄膜不僅有效延緩氦泡的長大，而且有效抑制納米絲結構的形成和生長。直線等離子體輻照結果表明，納米孔道結構W的形成“fuzz”起始劑量相對于W塊材提高了6.8倍，“fuzz”生長速率相比降低了3.9倍。通過分子動力學模擬分析可知，納米孔道表面低的空位形成能和高的氦束縛能可以有效幫助氦原子釋放，從而提高納米孔道結構鎢的抗輻照性能。本研究為開發新型高性能面向等離子材料提供了新思路。

?【圖片導讀】

圖1.原始納米孔道結構鎢TEM截面圖

(a) W-RT-150W；

(b) W-600-150W；

(c) W-600-50W；

(d)是相應的GIXRD圖；

其中右下角插圖為各樣品對應的SEM平面和截面圖。

圖2. 常溫下經40 keV He 離子輻照的納米孔道結構鎢和塊體鎢的TEM截面圖

(a₁), (a₂) 劑量分別為5×10¹⁷ 和1×10¹⁸ ions/cm² 時的W-RT-150W；

(b₁), (b₂) 劑量分別為5×10¹⁷ 和1×10¹⁸ ions/cm² 時的W-600-150W；

(c₁), (c₂) 劑量分別為5×10¹⁷ 和1×10¹⁸ ions/cm² 時的W-600-50W；

(d₁), (d₂) 劑量分別為5×10¹⁷ 和1×10¹⁸ ions/cm² 時的塊體W。

圖3. 1140 K下經50 eV He等離子體輻照的納米孔道結構鎢W-600-150W掃描圖和擬合圖

(a₁), (a₂) 劑量為1.7×10²¹ ions/cm²;

(b₁), (b₂) 劑量為5.6×10²¹ ions/cm²;

(c₁), (c₂) 劑量為3.2×10²² ions/cm²;

(d) W-600-150W和塊體鎢的納米絲厚度及其與輻照劑量相關的擬合曲線；

(d) W-600-150W在輻照前后薄膜厚度隨劑量變化。

圖4. 在300 K和1140 K下50 eV He離子輻照納米孔道結構鎢和塊體鎢的模擬結果

?

?(a) 在含有和不含(100) 面的納米孔道結構鎢和塊體鎢中的氦滯留比例；

?(b) 在不同溫度下納米孔道結構鎢和塊體鎢中氦團簇尺寸分布。

圖5. 空位形成能和氦原子束縛能的模擬結果

(a) 空位在距表面不同原子層中的形成能變化；

(b) He-He束縛能隨距離表面深度d的變化，其中a為鎢的晶格常數；

右上角插圖是一個含有三個在四面體位置的He原子（藍球）的W（紅球）晶胞，其中1和2，2和3是第一近鄰，1和3是第二近鄰。

【小結】

納米孔道結構鎢具有豐富表面可以作為有效的“沉降”點，能沿納米孔道迅速捕獲和釋放氦原子，從而延緩氦泡的形核和長大，減少納米絲的厚度。因此，納米孔道結構鎢在聚變研究和開發中顯示出一種性能優異的抗輻照面向等離子體部件候選材料的潛力。

【團隊介紹】

任峰，武漢大學物理科學與技術學院教授，博士生導師，國家自然科學基金委優秀青年基金獲得者，教育部新世紀人才計劃入選者。2006年獲得武漢大學理學博士學位。2008年至2010年先后在美國UC, Berkeley/Lawrence Berkeley國家實驗室和Los Alamos國家實驗室從事博士后和客座研究。

任峰教授長期從事離子束與固體相互作用及其離子束技術在能源材料領域的應用研究工作。至今以第一作者或通訊作者在Physical Review Letters，Acta Materialia，Nuclear Fusion，Applied Physics Letters，Journal of Materials Chemistry A，ACS Applied Materials & Interfaces，Nanoscale，Journal of Nuclear Materials等期刊上發表SCI論文56篇。

文獻鏈接：

Nanochannel structures in W enhance radiation tolerance, Acta Mater. 153 (2018) 147-155.(DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.04.048)

本文由第一作者秦文靜投稿。

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