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经理指南

优化用于高性能钨材料的CVD工艺

高性能融合反应堆要求高性能材料。为了优化融合反应堆转移物中使用的钨材料的生产过程，ForschungszentrumJülichGmbH（FZJ），能源与气候研究所的研究人员以及德国血浆物理学研究所在德国的Max Planck Institute转向了多个物理学模型。

布莱恩·克里斯托弗（Brianne Christopher）
2020年11月

为了使融合能力不仅在身体上成为可能，而且在经济上成为可能，我们需要开发高性能的融合反应堆。但是，这些反应堆本身需要高性能材料。以反应器的众多部分为例，以示例为例。

分流（图1）将灰分和其他血浆污染物从融合容器中转移出来。这些组件必须能够承受整个反应堆设置中最恶劣的环境。那么，这些零件是什么材料？Tungsten提供了一个合理的操作寿命，可以承受巨大的粒子和热通量，受到中子的严重轰炸，并经历血浆侵蚀和热循环。钨具有很高的导热率，并且与分离器的其他一些材料选择不同，它不会产生带有透射或陷阱过多的半衰期的放射性同位素。

带有插图的融合反应堆可详细介绍分流器。
图1.融合反应器中的转移。

比钨更坚强

钨也有缺点。它通常是脆弱的，再加上中子轰炸和过热，它在融合反应堆的运行寿命中可能会进一步互相。一种解决方案的解决方案是生产一种称为钨纤维增强的材料（wF/w）是一种更坚固的材料，通过其复合结构，提供了裂开的机制，可以使其具有伪有效的复合行为，例如在纤维增强的陶瓷中。

生产w时F/W，当前选择的方法之一是化学蒸气沉积（CVD），这也是半导体行业中流行的生产过程。在此过程中，气体分子在表面上吸附，然后在反应中反应，该反应室中包含加热的底物（图2）。它们的相互作用导致薄的高度纯材料膜（此处，W）沉积在基板上。确保WF该过程产生的 /W可以在融合反应器中使用，需要优化CVD工艺本身，以确保产生的材料具有正确的相对密度和纤维体积分数。ForschungszentrumJülichGmbH（FZJ），能源与气候研究所以及德国的Max Planck血浆物理学研究所的研究人员旨在研究这一过程以及如何优化。

反应室是CVD生产的一部分。
内部查看CVD生产设备中的加热基板。
图2. CVD生产设备的外部（左）和内部（右）视图。

开发一个完整的CVD生产模型F/w

w的CVD过程的关键因素之一F/W产生是钨沉积速率，取决于涉及的温度和部分压力。钨沉积速率很难预测，因为它涉及许多不同的参数，包括反应位点的表面温度和部分压力，这些参数取决于反应器几何形状，加热器温度，气流流速和气体组成。

预测CVD过程的一个重要动机是避免钨材料中的孔形成（图3）。在CVD过程中，气体流过纤维底物，钨沉积在纤维之间。纤维之间的区域应该用实心W填充；然而，当W封闭气相的大部分路径被W沉积物封闭或阻塞时，某些气态结构域可以与新鲜反应物隔离。换句话说，这些孔无法访问用钨填充它们所需的反应物，因此在整个过程中它们仍然是毛孔。

为了减少或避免减少材料的孔形成，需要仔细调整CVD工艺的底物几何形状和参数。

带有毛孔的钨纤维增强钨材料的灰度图像。
图3. W中的孔形成F/w。

FZJ研究的目的是降低W中的孔隙率F/w。为此，FZJ的材料工程师伦纳德·劳曼（Leonard Raumann）需要将W沉积率方程式作为第一步。关于钨的CVD的现有文献是有争议的和不完整的，因为钨沉积动力学的方程式和值通常从研究到研究之间相互矛盾。劳曼（Raumann）发现了CVD过程的新速率方程式，将整个文献中的较小片段整合在一起（参考文献1）。但是如何？

他设计了一个具有众所周知的边界条件的实验单纤维设置。在comsol多物理学的帮助下®软件和参数研究，他找到了速率方程。然后，他使用方程式对W建模F/W生产多个纤维。为此，Raumann应用Comsol多物理学®同样，然后进行参数优化。所得参数也以成功的方式应用于现实。

开发和验证多物理模型

图4显示了用于开发钨化学蒸气沉积速率的新模型的单纤维设置，其中包括预热器和主加热器。研究人员想看看钨的生长速度以及这种生长速度如何受到温度和部分压力的影响。然后，他们调整了钨六氟化钨（WF6）一个和零之间的反应顺序，具体取决于温度和WF6分压。为此，他们使用数值建模来研究气体混合物的流体动力学，热损耗的传热以及沉积表面化学反应的化学和速率方程。

简化的预热器和主加热器的实验室设置以及带有插图的相应模型几何形状，以显示上部纤维支架和W纤维的细节。
图4.基于简化的实验设置的模型几何形状。W纤维在右侧显示（薄灰色垂直线）。
2D模拟结果并排，显示左侧的红色到白色颜色梯度的温度，右侧的彩虹颜色表中的部分压力。
图5. CVD过程中的温度（左）和部分压（右）。半径为r = 0.075 cm的纤维表面，内管表面r = 0.4 cm）。

宏观的CVD反应器模型将部分压力作为微观瞬态模拟的输入。为此，Raumann建模了生长在多个相邻W纤维上的W涂层以及W涂层的表面向表面接触和相应的潜在孔形成。在劳曼（Raumann）的论文（参考文献1）中，他通过比较了W的沉积速率，孔结构和相对密度，成功地验证了这些模型。F/W（图6）。在第三步中，将多站模型用于CVD工艺参数优化，以成功改善模拟和后来的实验材料密度。

实验CVD过程与仿真结果的比较，其中覆盖的图像表明两者同意。孔的形成产生了类似毛毛虫的印象。
图6.在CVD过程中，实验结果（顶部），仿真结果（中心）和孔形成的两个结果（底部）的叠加。

扩展融合研究

FZJ-ipp团队目前正计划将经过验证的模型应用于3D几何以扩展WF/W的生产进一步。他们的目标是开发一种新方法，该方法将涉及一个线圈将W织物（CVD底物）传递到另一种线圈，一个线圈未绑定，另一个线圈盘绕并加热。这使得织物层堆叠可以在腔室关闭的情况下进行，因此所有层都可以在一个CVD过程中沉积（这种方式也存在较低的污染风险）。

扩大钨纤维增强钨的生产过程意味着融合功率的新可能性。在这项研究之前，生产一层钨材料大约需要5个小时，但是通过优化CVD过程参数，生产一层W仅需30分钟即可F/w-快十倍！通过优化融合反应堆高性能材料的生产过程，我们可以确保融合能力既可能又有效率。

参考

  1. L. Raumann，钨纤维增强钨的化学蒸气沉积的建模和验证，论文，能源与环境，Schriften des ForschungszentrumsJülich，2020年。