低活化高晶化温度金属玻璃的离子束辐照损伤研究

批准号:
11375037
项目类别:
面上项目
资助金额:
96.0 万元
负责人:
梅显秀
依托单位:
学科分类:
A3001.粒子束与物质相互作用
结题年份:
2017
批准年份:
2013
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘升光、夏元化、张雅、庞厰、刘小飞、马雪、侯文婧、张红冉
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中文摘要
第一镜是核聚变等离子体光学诊断的重要组成部分,目前第一镜的主要候选材料为金属材料(如不锈钢、钼、钨等),尽管金属材料具有优良的导热性能等优点,但是也存在很多问题,如不锈钢在粒子的轰击下反射率下降明显,钨和钼等高熔点高硬度金属难以加工获得高质量镜面,反射率较低;由于多晶材料不同取向晶粒间溅射率不同,粒子轰击使得样品表面可观察到明显晶界,从而使反射率下降。我们的前期工作也表明,金属玻璃的耐溅射和耐辐照损伤能力好于晶体材料。本项目选择低活化、高晶化温度的金属玻璃作为第一镜的候选材料,利用不同能量密度的强流脉冲离子束辐照模拟聚变堆的热效应,利用重离子束和强流脉冲离子束辐照模拟未来聚变工况下的等离子体辐照、中子辐照和热效应协同作用对金属玻璃的结构和性能的影响,探索低活化、高晶化温度的金属玻璃作为聚变堆第一镜候选材料的可能性。
英文摘要
First mirror is a key part for nuclear fusion optical diagnostic. At present the main candidate materials are metals such as stainless steels, Mo, and W. Despite of the many advantages for excellent thermal conductivity, metals suffer from serious problems: the reflectivity of stainless steels deteriorates severely after particle bombardments; it is extremely difficult to polish the surface to optical grade for high-melting-point and hard metals such as Mo and W; surface roughness that leads to the decreased reflectivity is easily induced due to the difference in sputtering capabilities in differently-oriented grains. Our previous work showed that some metallic glasses have better anti-sputtering and irradiation-resistance than crystalline materials. The present project selects metallic glasses with low radio-activity and high crystallization temperature to candidate for the first mirror materials. The thermal effects in fusion reactor will be simulated by high-current pulsed ion beam with different energy densities. Synergetic effects from plasma irradiation, neutron bombardments, and thermal effects will be mimicked by heavy ion and high intensity pulsed ion beam irradiation. The present work will explore the possibility of using metallic glasses with low radio activities and high crystallization temperatures as the first mirror materials for fusion reactors.
金属玻璃具有短程有序、长程无序的亚稳态结构特征,有比晶体材料更好的耐辐照特性,有可能成为面向等离子体(尤其是第一镜材料)的候选材料。本项目选择不同能量(40keV-3MeV)的He2+、H+、Ar12+和强流脉冲离子束辐照Zr基、Cu基、Fe基、Ni基等高晶化温度金属玻璃、晶体W和V合金,辐照剂量范围0-1.6×1018/cm2(0-68dpa),研究金属玻璃的辐照损伤行为。结果表明,连续的离子束辐照后,不同基的金属玻璃表面都没有明显的辐照损伤现象发生,剂量达到1.61018 ions /cm2(68dpa)时金属玻璃仍保持非晶相为主要结构,在He泡层区域观察到少量的晶化相产生。而对于金属W和V合金来说,在剂量为5×1017 ions/cm2时已经起泡剥落,当剂量达到1×1018ions/cm2时甚至出现多层起皮剥离现象。强流脉冲离子束辐照后,Zr基金属玻璃保持非晶相为主要结构,300次辐照后,Zr基金属玻璃表面出现“花瓣”状的辐照损伤现象,同时有少量晶化相产生。而金属钨表面则出现了明显裂纹。由于金属玻璃的短程有序和长程无序结构、内部存在大量的自由体积、没有位错和晶界等晶体缺陷,各向同性的结构能够容纳更多的离子,同时也能够缓解强流脉冲离子束辐照产生的应力。金属玻璃耐离子束辐照损伤的能力明显优于晶体材料(金属W和V合金)。高晶化温度的金属玻璃有更好的离子束辐照结构稳定性。项目的完成检验了低活化、高晶化温度金属玻璃作为未来聚变装置第一镜候选材料的可能性,为聚变反应成功运行提供理论依据和技术支持。该项目的研究意义不仅仅在于寻找未来聚变装置第一镜候选材料,还可以将金属玻璃的应用拓展到空间反射镜等领域。.项目按计划完成,共发表期刊论文13篇,其中SCI收录的论文10篇。培养研究生10人,已毕业5人,在读5人。参加国内外学术会议16人次,其中国际会议7人次,国内会议9人次。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
H+-induced irradiation damage resistance in Fe- and Ni-based metallic glass
铁基和镍基金属玻璃的氢致辐照损伤抵抗能力
DOI:10.1016/j.nimb.2016.03.015
发表时间:2016-05
期刊:Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section B
影响因子:--
作者:Zhang Hongran;Mei Xianxiu;Zhang Xiaonan;Li Xiaona;Wang Yingmin;Sun Jianrong;Wang Younian
通讯作者:Wang Younian
Effects on structure and properties of Zr55Al10Cu30Ni5 metallic glass irradiated by high intensity pulsed ion beam
高强度脉冲离子束辐照对Zr55Al10Cu30Ni5金属玻璃结构与性能的影响
DOI:10.1016/j.apsusc.2014.06.106
发表时间:2014-09
期刊:APPLIED SURFACE SCIENCE
影响因子:6.7
作者:Liu Xiaofei;Mei Xianxiu;Qiang Jianbing;Remnev G. E.;Wang Younian
通讯作者:Wang Younian
Study of irradiation damage induced by He2+ ion irradiation in Ni62Ta38 metallic glass and W metal
He2离子辐照Ni62Ta38金属玻璃和W金属辐照损伤研究
DOI:10.1016/j.nimb.2017.03.121
发表时间:2017
期刊:Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section B
影响因子:--
作者:Zhang Xiaonan;Mei Xianxiu;Zhang Qi;Li Xiaona;Wang Yingmin;Wang Younian
通讯作者:Wang Younian
Resistance to H+ induced irradiation damage in metallic glass Fe80Si7.43B12.57
金属玻璃 Fe80Si7.43B12.57 的抗 H 诱导辐照损伤性能
DOI:10.1016/j.jnucmat.2014.09.044
发表时间:2015
期刊:Journal of Nuclear Materials
影响因子:3.1
作者:Hongran Zhang;Xianxiu Mei;Yingmin Wang;Zhiguang Wang;Younian Wang
通讯作者:Younian Wang
Effect on structure and mechanical property of tungsten irradiated by high intensity pulsed ion beam
高强度脉冲离子束辐照对钨结构和力学性能的影响
DOI:10.1016/j.nimb.2017.03.117
发表时间:2017-09-01
期刊:NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH SECTION B-BEAM INTERACTIONS WITH MATERIALS AND ATOMS
影响因子:1.3
作者:Mei, Xianxiu;Zhang, Xiaonan;Wang, Younian
通讯作者:Wang, Younian
压缩等离子体流辐照对难熔多组元合金稳定性影响
- 批准号:12211530445
- 项目类别:国际(地区)合作与交流项目
- 资助金额:19.00万元
- 批准年份:2022
- 负责人:梅显秀
- 依托单位:
难熔高熵合金的强流脉冲离子束和氢氦离子束辐照结构稳定性微观机理
- 批准号:11975065
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:65.0万元
- 批准年份:2019
- 负责人:梅显秀
- 依托单位:
铁基、锆基金属玻璃离子束和等离子体束作用的结构和性能稳定性
- 批准号:11975065
- 项目类别:国际(地区)合作与交流项目
- 资助金额:15万元
- 批准年份:2019
- 负责人:梅显秀
- 依托单位:
Fe基金属玻璃离子束辐照稳定性的微观机理研究
- 批准号:11675035
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:68.0万元
- 批准年份:2016
- 负责人:梅显秀
- 依托单位:
金属玻璃作为ITER偏滤器靶板材料的重离子束辐照模拟研究
- 批准号:11079012
- 项目类别:联合基金项目
- 资助金额:40.0万元
- 批准年份:2010
- 负责人:梅显秀
- 依托单位:
强流脉冲电子束辐照提高热障涂层高温稳定性的机理研究
- 批准号:10875021
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:43.0万元
- 批准年份:2008
- 负责人:梅显秀
- 依托单位:
国内基金
海外基金
