核聚变等离子体面部材料的综合筛选
材料科学
2024-07-02 v1
摘要
等离子体面部材料（PFMs）是核聚变反应堆设计中面临最重大挑战之一。 在反应堆内部，偏转器将经历最严酷的材料环境：强烈的中子和等离子体粒子轰击，伴随大量且不规则的热通量。 ITER 中指定承担此角色的材料为钨（W）。 虽然没有其他材料显示出能够媲美 W 属性的潜力，但其应用仍存在诸多缺点，包括：由低再结晶温度和高屈服-脆性转变温度引起的开裂和侵蚀，以及中子引起的脆化；由于等离子体-钨相互作用导致的表面形貌变化（绒毛层），随后可能引发材料自燃熔化和脱层；低氧化抗性。 本工作旨在基于已知无机材料，系统且全面的筛选 PFMs 候选材料。 本研究识别最有前景 PFMs 候选材料的方法结合了来自 Pauling File 数据库中的同行评审数据，以及对两种关键 PFMs 缺陷——表面结合能和氢内位形成能——的密度泰函理论（DFT）计算。 从 Pauling File 中提取的晶体结构及其相关属性，依据等离子体面部材料受 ITER 类托卡马克中偏转器区域热负荷制定的热平衡方程进行排序。 满足要求的材料被严格与最新文献进行比较，从而确定进行第一性原理电子结构计算的最优子集。 大多数先前已知的 PFMs 均被此筛选过程覆盖，确认其可靠性。 此外，一些不太熟悉的高熔点材料表现出值得进一步调查的性能。
引用
@article{arxiv.2407.00858,
title = {A comprehensive screening of plasma-facing materials for nuclear fusion},
author = {Andrea Fedrigucci and Nicola Marzari and Paolo Ricci},
journal= {arXiv preprint arXiv:2407.00858},
year = {2024}
}