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受控热核聚变以其清洁、安全、取之不尽的优点,成为解决能源和环境污染问题的重大战略手段之一。然而在磁约束聚变反应堆中,面向等离子体材料在高温等离子体辐照下的损伤问题会严重制约核聚变反应装置的稳定运行和发展。鉴于辐照因素的复杂性,核聚变反应堆实验上的困难,以及为了缩短研究周期,对相关基础问题的理论研究至关重要。本论文针对面向等离子体材料(钨)在氘离子-中子协同辐照下的缺陷产生和表面损伤问题,系统地开展了基于团簇动力学模型的多尺度模拟研究。
本论文研究工作基于平均场速率理论和SRIM软件,在氦离子-中子协同辐照模型的基础上,针对氘在钨中运动的新特点,通过引进离子导致的缺陷和固有缺陷,考虑复杂的反应过程,采用各种最新的实验和理论参数,发展了新的团簇动力学模型,以定量地描述氘离子注入或氘离子-中子协同辐照环境下的离子、自间隙原子和空位以及它们所组成的复杂缺陷团簇在材料中的产生、反应、扩散和积聚等过程。
本论文应用上述模型定量地研究了在不同的离子入射能量、束流和通量以及不同的样品温度下,氘在钨中的深度分布规律以及滞留量随温度、辐照通量的变化规律,所得结果与实验结果符合得很好。本论文阐明了在有无中子协同辐照下,各种氘的缺陷(团簇)的浓度随样品深度、缺陷尺寸和辐照通量的变化关系,不同种类的氘缺陷团簇对氘原子浓度的的贡献,以及不同种类可动缺陷在钨中大的深度范围内的扩散和积聚过程等;并讨论了扩散和俘获效应间的竞争对氘原子在钨中行为的作用。本论文研究有助于定量地理解面向等离子体材料在氘离子-中子协同辐照下的缺陷的动力学机制,为ITER等离子体环境下的面向等离子体材料的辐照损伤及服役行为提供理论指导及性能预测。