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题目：
雅宝题库答案：
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雅宝题库解析：
核聚变能是未来的潜在能源。与核裂变能相比，可控磁约束核聚变在原料（燃料氢的同位素氘在海水中含量非常丰富）和能源的清洁安全（聚变产物为氦）方面具有较大的优势。以2006年11月欧盟、美国、中国、俄罗斯、日本、韩国和印度七方在巴黎正式签署协议启动国际热核聚变实验反应堆（ITER）计划为标志，核聚变能的研究已经进入了全球共同合作和研发的新阶段。核聚变能的最终实现还存在着较大的困难。磁约束核聚变目前面临两个关键题目：一是聚变等离子体的稳定性题目；二是聚变托卡马克/聚变堆的关键材料题目。其中，核聚变反应装置面对等离子体材料（Plasma-facing material, PFM）的选择尤为关键，其设计选择直接决定了ITER及未来反应堆装置运行安全性和壁材料的使用寿命，并对未来示范堆（DEMO）和商业堆的设计、制造和运行产生重要影响。钨（W）作为重要的PFM候选材料，其氢致起泡题目严重影响聚变等离子体的稳定性并降低PFM的使用寿命。氢泡与以前裂变的氦泡形成机制不同，且一般在较低温度范围下形成（300-900 K），这是因聚变研究而引起极大关注的新题目。钨基PFM中的氢致起泡题目急需解决。本文应用量子力学第一原理方法结合热力学理论，系统研究了氢（H）在W晶界中的溶解、偏析和扩散，以及氦（He）对W中H行为的影响，给出W晶界氢泡形成的微观物理机制，并提出抑制W中氢泡形成的理论方法。H偏析将直接影响W晶界的力学性能。应用第一原理拉伸试验我们得到，H偏析W晶界的理论拉伸强度和Griffith断裂能分别为32.85 GPa和2.48 J m−2，与纯W晶界相比分别降低了9%和4%。H在W自由表面上和W晶界中的偏析能之差为0.08 eV/atom，根据Rice-Wang热力学模型判断H为晶界脆化元素。通过Bader有效电荷分析发现，H的存在引起了W晶界中电荷重新分布；H从近邻的W原子得到电子，导致W原子周围价电子减少，进而弱化了晶界面上的W-W键，这是H使W晶界力学性能降低的原因。实验研究表明，氢泡易于在W晶界形成。为了弄清W晶界中的氢泡形成机制，我们研究了H在W晶界（以5晶界为例）中的溶解、偏析和扩散行为，发现最佳电荷密度原则在H晶界捕陷机制中起着主要作用。动力学上，我们发现H一旦被晶界捕获就很难逃逸出去。纯W晶界中最多可以捕陷两个H原子，而且这两个H原子不能形成H分子。因此，在纯W晶界中不具备氢泡形成的必要条件。进一步研究发现，空位在晶界中的形成能要比体内低很多，这说明空位极易出现在晶界区域。空位的存在将使晶界为H聚集提供更大的空间，使H可以在晶界中聚集最终形成H分子。我们因此给出了W晶界中氢泡形成的空位机制。W中H-He协同效应与单独的H或He行为有较大的差别。为了研究He存在对H行为的影响，我们首先研究了W中He的占位行为。由于He具有典型的闭壳层结构，所以He在金属中的稳定性主要依赖于He的有效体积。结合第一原理计算与连续体模型分析，我们提出了晶格应力模型，氦致晶格应力定量地表征He在金属中的有效体积，进而表征He的稳定性。晶格应力模型也可以定量地表征其它惰性气体在金属中的稳定性。另一方面，我们给出了能够正确表征He在金属中有效体积的硬球模型，而不是以往认为的点阵模型或Voronoi多面体模型。这完全改变了以前对于He在金属中有效体积认识的混乱，对于理解He在金属中的行为具有重要意义。我们通过计算W中H-He的协同作用和扩散行为研究了W中H和He相互作用。He的存在引起W中电荷重新排布，使H-He之间表现出很强的吸引作用。由于He具有特殊的闭壳层结构，使He比H更容易占据空位中心，从而阻止H在空位中心聚集而形成H分子。据此我们提出通过He（或其它惰性气体元素）抑制W中氢泡形成的理论方法。He的抑制作用表现在两个方面。一方面，He将在W近表面处聚集，由于H-He间的吸引作用H将被吸引在He的周围，形成一个He-H阻挡层，阻止H进一步向W体内扩散。另一方面，可以通过He离子注入把He注入到W体内，占据空位型缺陷中心，阻碍H分子在空位型缺陷中的形成。本论文的研究结果为ITER及未来聚变装置PFM中氢致起泡这一关键题目的解决奠定了重要的理论基础，也为PFM的设计、制备和应用提供了重要的理论指导和参考依据。 |
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发表于 2022-8-30 10:49:47
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