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氢与碳基壁材料相互作用的理论模拟研究

刘升光  
【摘要】:碳基材料由于其出色的热机械性能和低原子序数而成为托卡马克中面向等离子体的首选材料。但是,碳基材料在载能氢粒子的轰击下具有很高的腐蚀率,而且碳基材料也有很强的氚滞留能力,特别是在碳氢复合沉积层中。这严重影响了其在未来聚变装置中的进一步使用。因此,需要对碳基材料做深入的研究来克服这些不足。在本论文中,主要开展了以下研究: 建立了一个描述碳化学腐蚀的模型。该模型考虑了入射氢粒子的能量和碳靶的温度对化学腐蚀的影响。在模型中,把碳的化学腐蚀分为了三种机制:热化学腐蚀机制、化学溅射机制和离子增强的化学腐蚀机制,并比较了这三种不同的机制对总化学腐蚀率的贡献。结果发现:当碳靶的温度低于400 K时,化学溅射的贡献占主导地位,随着碳靶温度的升高,热化学腐蚀和离子增强的化学腐蚀贡献开始增加;当氢粒子的轰击能量小于25 eV时,热化学腐蚀和离子增强的化学腐蚀贡献在同一个量级上;但是随着粒子轰击能的进一步增加,离子增强的化学腐蚀贡献占据了绝对的主导地位。所建立的化学腐蚀模型不仅可以很好地再现已有的实验结果,而且更具有普适性:当碳靶的温度接近于常温时,该模型可以很好地简化到Hopf的化学溅射模型;当入射氢粒子的能量降低到热氢原子的能量范围时,该模型可以很好地过渡到Roth的热化学腐蚀模型。 建立了一个描述氢在多孔碳中传输行为的动力学蒙特卡罗模型。该模型主要研究了氢在碳中的滞留、从碳中的再发射以及热脱附的过程。对于氢滞留,模拟结果发现:在低温时,大部分的氢被滞留在了碳中,随着靶温度的进一步升高,氢的滞留分数开始迅速减少;和低空隙率的碳相比,高孔隙率的碳对氢的滞留能力更强;同时,高的氢入射能也造成了更多的氢滞留在碳中。对于氢的再发射,模拟结果发现:再发射产物在低温下主要由氢分子组成,在高温下主要由氢原子组成;释放的氢分子量会随着碳的孔隙率和氢的入射能的增加而增多。对于氢的热脱附,模拟结果发现:氢的热脱附峰数目和预先注入的氢原子剂量、碳阱的浓度、碳孔隙率以及碳的平均晶粒体积有密切的关系;低的氢注入剂量和高的碳阱浓度容易导致单个脱附峰的出现,出现峰值的温度在1000 K,高的氢注入剂量和低的碳阱浓度容易造成两个脱附峰的出现,温度分别在820 K和1000K;同时也发现,小的碳孔隙率和大的碳平均晶粒体积容易造成单个氢气脱附峰的出现,大的碳空隙率和小的碳平均晶粒体积有助于两个氢气脱附峰的出现;通过假设碳中含有少量溶解的氢原子时,在400 K模拟还再现了实验上观察到的第三个热脱附峰,这说明溶解的氢原子对于第三个脱附峰的出现起着不可忽视的作用。 利用REBO作用势,开发了一个氢原子和CHx化合物分子与碳氢复合沉积层相互作用的分子动力学程序。该程序主要研究了入射粒子与复合沉积层的碰撞过程,并详细比较了粒子分别与软膜和硬膜相互作用时,两者之间的差别。研究结果表明:软膜对氢的吸附系数要大于硬膜对氢的吸附系数,特别在氢的入射能量小于15 eV时,差别尤其明显;并且在同样的氢入射能量下,氢在软膜中的射程要大于氢在硬膜中的射程;高的氢吸附系数和深的射程分布是软膜更容易滞留大量氢同位素的主要原因;而且在CHx分子的入射能量小于5 eV时,入射到复合沉积层表面的分子取向对吸附系数有重要的影响;入射的CHx化合物分子的反射系数会随着分子中氢原子数目的增加而增加,但是会随着入射能量的增加而减少。 最后,提出了下一步工作要研究的主要问题,并设想利用第一原理计算、经典分子动力学、量子动力学和动力学蒙特卡罗等多时空尺度的模拟手段来解决提出的问题。


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