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合肥研究院聚变反应堆抗氚涂层辐射损伤研究进展

时间:2021-02-09 20:01:04


最近,中国科学院合肥材料科学研究所材料与部件研究所副研究员周海山在研究辐照缺陷对α-氧化铝氚阻隔涂层抗氚性能的影响机理方面取得了新的进展,相关研究成果发表在以αα-Al2O3为标题的核聚变研究上。

在未来的聚变堆中,为了减少燃料损失和实现氚的自我维持,氚扩散涂层结构材料及其辅助系统必须尽可能具有最低的氚通透性。除了可靠的涂层和氚系统结构设计外,在氚相关部件的内外表面涂覆氚涂层是降低氚渗透性的有效措施。然而,在聚变反应堆中,高能中子辐照下的抗氚涂层会产生大量的辐照缺陷,这可能会影响该材料的抗氚性能。

α-氧化铝被认为是聚变堆抗氚涂层的理想候选材料,采用基于密度泛函理论的第一原理计算方法,模拟了含不同辐照点缺陷的α-氧化铝中氢的溶解和扩散行为,研究了氢与辐照点缺陷之间的相互作用,探索了氢的存在形式,揭示了辐照点缺陷对氚电阻影响的机理。

研究发现,α-氧化铝中的空位缺陷,特别是铝空位,很容易捕获氢,而氢空位团簇很难在α-氧化铝中扩散,因此孤立的空位缺陷在一定程度上可以提高α-氧化铝的抗氚性能。氧间隙原子也能与氢结合形成OIH-,并以OIH-的形式扩散。由于OIH-的扩散能垒很小,在室温下可以迅速迁移。因此,氧间隙原子的氚电阻将被削弱。此外,研究还表明,在不受辐照的水环境中,氢气更容易渗透到α-氧化铝中,而在氢气环境下,氢气更容易渗透到α-氧化铝中。

本研究对聚变反应堆耐氚涂层的设计、制备和使用评价具有重要的参考价值。

氢缺陷团簇的形成能随费米能级的变化而变化

[资料来源:合肥材料科学研究所]

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