Acta Mater.: 具有纳米孔道结构钨的抗辐照性能研究

【引言】

在聚变堆中，面向等离子体材料(PFMs)要遭受空前恶劣的环境，包括高束流等离子体的撞击或侵蚀 ，14.1 MeV的中子辐照以及稳态甚至瞬态热负荷的反复冲击。金属钨 (W) 材料本身由于具有优异的物理化学性能，被认为是最有前景的PFMs。然而，在这种极端环境下，快速聚集的氦原子会导致钨中氦泡的形核，甚至会在钨表面形成“fuzz”纳米丝结构，这些会严重退化钨本身的性能，减短其服役寿命。纳米丝结构一旦发生剥落，会严重影响堆芯等离子体的稳定性。氦泡对纳米丝的形成和生长有重要影响。因此，通过设计新型纳米结构有效降低W中He的浓度对开发优异性能的面向等离子体钨材料至关重要。

【成果简介】

近日，武汉大学秦文静（第一作者）、任峰教授（第一通讯作者）团队与洛丝阿莫斯国家实验室的Yongqiang Wang博士（第二通讯作者）、美国加州大学圣地亚哥分校Russell P. Doerner、湖南大学邓辉球教授等合作共同在Acta Mater.上发表了一篇关于聚变堆面向等离子体钨(W)的文章，题为“Nanochannel Structures in W enhance radiation tolerance”。

由于氦泡成核以及它对微观结构(fuzz)和性能（硬化、脆化）产生影响的根本原因是氦原子不溶于钨，那么在辐照的过程中如果可以及时的释放氦原子就可以有效抑制氦原子在钨中的形核。从这个角度出发，该团队设计了一种含有纳米孔道的晶柱状钨薄膜。通过高能氦离子辐照以及低能大束流氦等离子体辐照实验发现，相对于传统的块体钨材料，这种具有高比表面积的纳米孔道结构钨薄膜不仅有效延缓氦泡的长大，而且有效抑制纳米丝结构的形成和生长。直线等离子体辐照结果表明，纳米孔道结构W的形成“fuzz”起始剂量相对于W块材提高了6.8倍，“fuzz”生长速率相比降低了3.9倍。通过分子动力学模拟分析可知，纳米孔道表面低的空位形成能和高的氦束缚能可以有效帮助氦原子释放，从而提高纳米孔道结构钨的抗辐照性能。本研究为开发新型高性能面向等离子材料提供了新思路。

 【图片导读】

图1.原始纳米孔道结构钨TEM截面图

(a) W-RT-150W；

(b) W-600-150W；

(c) W-600-50W；

(d)是相应的GIXRD图；

其中右下角插图为各样品对应的SEM平面和截面图。

图2. 常温下经40 keV He 离子辐照的纳米孔道结构钨和块体钨的TEM截面图

(a₁), (a₂) 剂量分别为5×10¹⁷ 和1×10¹⁸ ions/cm² 时的W-RT-150W；

(b₁), (b₂) 剂量分别为5×10¹⁷ 和1×10¹⁸ ions/cm² 时的W-600-150W；

(c₁), (c₂) 剂量分别为5×10¹⁷ 和1×10¹⁸ ions/cm² 时的W-600-50W；

(d₁), (d₂) 剂量分别为5×10¹⁷ 和1×10¹⁸ ions/cm² 时的块体W。

图3. 1140 K下经50 eV He等离子体辐照的纳米孔道结构钨W-600-150W扫描图和拟合图

(a₁), (a₂) 剂量为1.7×10²¹ ions/cm²;

(b₁), (b₂) 剂量为5.6×10²¹ ions/cm²;

(c₁), (c₂) 剂量为3.2×10²² ions/cm²;

(d) W-600-150W和块体钨的纳米丝厚度及其与辐照剂量相关的拟合曲线；

(d) W-600-150W在辐照前后薄膜厚度随剂量变化。

图4. 在300 K和1140 K下50 eV He离子辐照纳米孔道结构钨和块体钨的模拟结果

 (a) 在含有和不含(100) 面的纳米孔道结构钨和块体钨中的氦滞留比例；

 (b) 在不同温度下纳米孔道结构钨和块体钨中氦团簇尺寸分布。

图5. 空位形成能和氦原子束缚能的模拟结果

(a) 空位在距表面不同原子层中的形成能变化；

(b) He-He束缚能随距离表面深度d的变化，其中a为钨的晶格常数；

右上角插图是一个含有三个在四面体位置的He原子（蓝球）的W（红球）晶胞，其中1和2，2和3是第一近邻，1和3是第二近邻。

【小结】

纳米孔道结构钨具有丰富表面可以作为有效的“沉降”点，能沿纳米孔道迅速捕获和释放氦原子，从而延缓氦泡的形核和长大，减少纳米丝的厚度。因此，纳米孔道结构钨在聚变研究和开发中显示出一种性能优异的抗辐照面向等离子体部件候选材料的潜力。

【团队介绍】

任峰，武汉大学物理科学与技术学院教授，博士生导师，国家自然科学基金委优秀青年基金获得者，教育部新世纪人才计划入选者。2006年获得武汉大学理学博士学位。2008年至2010年先后在美国UC, Berkeley/Lawrence Berkeley国家实验室和Los Alamos国家实验室从事博士后和客座研究。

任峰教授长期从事离子束与固体相互作用及其离子束技术在能源材料领域的应用研究工作。至今以第一作者或通讯作者在Physical Review Letters，Acta Materialia，Nuclear Fusion，Applied Physics Letters，Journal of Materials Chemistry A，ACS Applied Materials & Interfaces，Nanoscale，Journal of Nuclear Materials等期刊上发表SCI论文56篇。

文献链接：

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静投稿。

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