聚变堆中氢、氦在钨中的扩散课件.ppt

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1、聚变堆中H、He在W中的扩散背景介绍H&He与第一壁材料MSD方法H、He在W中扩散背景介绍世界能源现状：首先，能源转化的方向性；其次，能源分布不均匀性；第三，能源消耗远超发掘速度。各种能源储量能源名称可开采年限石油高成本油田天然气煤炭铀（海水中）钚为燃料的增值核反应DT反应DD反应43年240年63年231年72年（一万年）100万年1600万年60亿年能源危机背景介绍能源需求比例石油消费2040年达峰值，2100年后下降到不足5%背景介绍裂变VS聚变可控聚变的难点轻元素原子核的聚合远比重元素原子核的分裂困难背景介绍受控核聚变装置

2、太阳内部核聚变处于高压下，温度为2000万K；聚变装置必须弥补低压造成碰撞几率减少的损失提高温度上亿度或几亿度没有任何材料能够承受磁约束对等离子体进行约束惯性约束H&He与第一壁材料第一壁材料的选取聚变反应堆中离等离子体最近的部件叫做第一壁；D-T反应产生的中子、电磁辐射、带点粒子或中性粒子直接作用在第一壁；能量沉积、中子辐照影响等离子体对第一其他等离子体与壁相互作用、吸壁材料的影响收、空位捕获氢同位素的扩散、溶解H&He与第一壁材料所考虑的材料是不锈钢和高熔点合金高原子序数材料在等离子体逃逸作用下发生溅射在第一壁材料上覆盖一层低原

3、子序数材料（铍、石墨、硼、碳化硼、碳化硅等）受到过度的物理和化学溅射损伤，难于维持足够的寿命易于受到中子轰击产生空位和损伤钨高熔点，高温下保持金属强度力学性能最有发展前景的面氢同位素的滞留少向等离子体材料溅射率很低H&He与第一壁材料氢、氦对钨的影响第一壁材料受到氢同位素及氦离子的轰击，产生溅射、背散射以及辐照损伤，在材料内部产生杂质和空位等缺陷，而这些缺陷又会成为俘获氢或氦的不饱和陷阱，且易于形成团簇。团簇的生长、释放会使壁材料原子进入等离子区。研究氦或氢在钨中的作用行为具有重要的意义影响氢或氦在材料中滞留和迁移一个最基本的性质是

4、扩散率。MSD方法扩散定律菲克第一定律：单位时间内通过垂直扩散方向的单位截面的物质量（扩散通量）与该物质在该面积处的浓度梯度成正比：菲克第二定律：考虑到时间对浓度的影响，同时近似将扩散系数D看做常数：均方位移（MSD）固体扩散中，扩散原子并不是沿着直线扩散，而是呈折线无规则地在晶体的间隙或者空位之间跳动。MSD方法由于原子跳动方向有正负，会出现抵消，因此只考虑纯位移就失去了意义因此提出了均方位移。均方位移是总位矢的平方，可代表原子经过n次跳动之后的净位移。上式中r代表原子每次跳动的距离。原子跳动与扩散系数考虑两个相邻晶面，面密度是n

5、1，n2；晶面距离为d，原子跳动的频率是f，原子跳动概率的平方P。那么在△t内，面1跳向面二和面二跳向面1的原子数为：MSD方法两式相减并利用扩散通量J的定义有：把面密度n1，n2改为体密度C1，C2：将上式与菲克第一定律比较有：上式与相结合有：MSD方法是一个与晶格属性及温度有关的量，与扩散系数D无关，我们记作K，则：扩散方程的表征扩散系数和扩散激活能之间都能写成这样的形式：D0扩散指前因子，Ea为扩散激活能，他们都与温度无关，这个关系式就是著名的Arrhenius方程为了表征一种扩散的性质，需要求得D0和Ea的值MSD方法对Ar

6、rhenius方程两边取对数：以为T-1横轴，以lnD为纵轴绘制一条直线H、He在W中扩散H、He在W中扩散H、He在W中扩散H和He在W中的扩散并不能简单的用一个Arrhenius方程表述，不同的温度可能对应着不同的扩散能垒，从而就需要有不同的扩散方程来描述。同时计算了不同情况下H、He的扩散，结果如下表：