科学岛团队在壁材料的氢同位素渗透研究方面取得新进展

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近日，中科院合肥研究院等离子体所聚变堆材料及部件研究室在壁材料的等离子体辐照效应研究方面取得新进展，相关成果发表在Nuclear Fusion期刊上（1,2）。
　　在聚变堆边界等离子体与材料的相互作用下，氘氚会进入材料表面，渗透穿过第一壁进入到内部的冷却剂，增加反应堆的燃料成本以及安全风险。与此同时，氘氚聚变反应产生的氦也会直接轰击材料表面，影响氘氚在材料中的渗透滞留行为。

图1 （a）瞬态渗透曲线（b）稳态渗透量

图2 三种辐照剂量的样品表面形貌

　　当前研究针对聚变堆候选壁材料和结构材料，聚焦氦等离子体辐照效应，探究了低能氦等离子体辐照损伤对材料中氢同位素渗透的影响机理。实验发现低能氦等离子体辐照会诱导材料表面形成凸出状纳米结构，氘渗透量随着氦辐照剂量的增大逐渐降低。结合理论计算，可判断表面形貌演变和近表面氦泡层对材料的氢同位素渗透量有双重降低作用：表面起伏形貌增加了入射离子的反射通量，减少了植入通量；而近表层聚集的氦泡则大大减少了表层氢同位素原子向内扩散的输运通道，进一步降低了氢同位素的稳态渗透量。
　　以上成果建立在早前壁材料和结构材料的氢同位素渗透研究基础上（3,4），实现了氦注入剂量影响的定量分析，可为聚变堆第一壁的氚渗透量评估提供重要参考。上述工作受到了国家磁约束核聚变能发展研究专项、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会以及中科院合肥研究院等离子体所基金等项目的资助。
　　[1] L. Wang et al., Nucl. Fusion 62 (2022) 086006.
　　论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/ac62f8
　　[2] X.C. Li et al., Nucl. Fusion 62 (2022) 064001.
　　论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/ac4716
　　[3] H.S. Zhou et al., Nucl. Fusion 58 (2018) 056017.
　　论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/aab37e
　　[4] H.S. Zhou et al., Nucl. Fusion 59 (2019) 014003.
　　论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/aaefd0


       文章来源：合肥研究院