用于B4C涂层制备的感应耦合等离子体实验和理论研究

论文摘要

利用取之不尽的海水中氢的同位素进行磁约束受控热核聚变,由此获取的聚变能被认为是人类可利用的终极清洁能源,人类正朝着这一目标而努力攻关,其中对等离子体能量约束与粒子约束密切相关的新材料是聚变研究的重要课题之一,如面向等离子体材料（PFMs）,它是制造核聚变装置中诸如第一壁、偏滤器及限制器的材料。目前,熔点高、导热性能好的金属钨（W）被认为是未来聚变堆的首选PFM材料。但是钨是高原子序数（Z=74）值的材料,而等离子体中电子与离子碰撞导致的軔致辐射功率密度与Z2成正比,由此会带来等离子体能量的大量辐射损失,大大降低了加热效率和能量约束时间,这是磁约束受控热核聚变研究要解决的核心问题之一。另外,等离子体的电阻率与Z成正比,这无疑大大增加了 Z=1的聚变材料（氘-氚）等离子体的电阻率,从而会诱发电阻性不稳定性的发生（如电阻撕裂模不稳定性）,导致等离子体电流破灭。这是磁约束受控热核聚变研究要解决的又一个核心问题。磁约束高温等离子体要求第一壁材料不仅具有好的热、力学特性,而且具有等离子体与之相互作用时能有效地降低杂质尤其是重杂质（高Z元素）再循环的特性。为此,聚变领域的第一壁材料成为攻坚克难的研究课题。当前,兼顾热力学性能好、重杂质再循环低的钨材料表面沉积低Z值且耐熔的碳化硼（B4C）涂层的复合材料引起国际聚变界的高度关注,成为聚变界研究的重点。虽然目前在W基材上沉积B4C涂层的方法有化学气相沉积、硼化以及磁控溅射法,但要在硬度及熔点极高的W基材上满足涂层的高纯度、高结合力以及涂层厚度等性能和参数要求的高效率制备技术和方法,国际上不多见,国内尚是空白。为此,本论文开展了射频感应耦合等离子体（ICP）喷涂制备B4C/W涂层的研究,建立研究平台检验射频感应耦合等离子体（ICP）喷涂制备B4C/W涂层的等离子体第一壁材料的技术可行性。之所以选择ICP炬而不采用直流等离子体炬,是为了兼顾炬的高温能有效熔化B4C粉末提高涂层结合力的优势和涂层速度快的优势,摈弃直流炬因电极烧蚀而引起杂质污染的弊端,提高B4C涂层的纯度。作为一项新的技术路线的开拓性实验研究工作,本论文主要目的是建立研究平台,成功制备出具有一定结合力的B4C/W涂层,验证其技术可行性,为进一步深入研究提供基础条件。这对开展受控热核聚变的第一壁材料的研究具有科研的现实意义和实用价值。论文主要工作和创新点是:1、通过等离子体温度场、速度场及电导率分布的理论数值模拟研究进行实验平台的物理设计,为实验平台的工程设计提供理论依据。2、利用电压、电流探针对射频传输线上的电压、电流进行诊断测试,为ICP的诊断测量开拓了一条新的思路,为研究平台的技术参数及射频耦合的关联性提供了检验方法,为B4C涂层实验研究物理参数的影响开辟了一条新的思路。3、开展ICP喷涂B4C/W涂层制备的实验研究,对参数（如喷涂距离、气体流率、输入功率、基体材料和温度等）对涂层结合力的影响进行优化研究,对涂层进行了形貌、物相和成分的表征分析,成功制备出平均结合力达13.1 MPa的B4C/W涂层样品,ICP喷涂B4C/W涂层的科学可行性及实验研究平台的技术可行性得到充分的证明。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 周秋娇

导师: 孟月东,赵鹏

关键词: 感应耦合等离子体,面向等离子体材料,探针诊断,数值模拟

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,核科学技术

单位: 中国科学技术大学

分类号: TL612

DOI: 10.27517/d.cnki.gzkju.2019.000127

总页数: 105

文件大小: 7289K

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