通过仿真优化高性能钨材料化学气相沉积工艺

高性能聚变反应堆需要高性能材料。德国于利希研究中心能源与气候研究所和德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所的研究人员借助多物理场仿真技术,优化了用于聚变反应堆偏滤器的高性能钨材料制备工艺。


By Brianne Christopher
2020 年 11 月

获得经济和物理上均可行的聚变能需要开发高性能聚变反应堆,高性能聚变反应堆由于其自身工况条件需要使用高性能材料。例如,聚变反应装置部件——偏滤器即需要性能优异的先进材料。

偏滤器 (图1)用于将灰分和其他等离子体杂质偏滤出聚变室,且必须能够承受所有反应堆装置中的严酷环境。那么,制造偏滤器部件的最佳材料是什么?由钨材料制造的偏滤器部件被中子猛烈轰击,并经历等离子体腐蚀和热循环影响后,仍具有足够长的运行寿命,并且能够耐受大型粒子和热通量。不同于其他偏滤器材料,钨具有高热导率,并且不会因为嬗变而产生半衰期较长的放射性同位素,也不会捕获过多的氢。

A fusion reactor with an inset giving a detailed view of the divertor. Divertor
图1 聚变反应堆中的偏滤器

高性能钨材料

钨通常具有脆性的缺点,加上受到中子轰击和过热的影响,甚至可能在聚变反应堆的运行寿命内进一步脆化。为此,可以通过生产钨-纤维增强钨材料(Wf/W)来解决脆化问题。这种材料由于其复合结构而更加坚韧,具有消除裂纹的机制从而产生伪延性复合性能,类似纤维增强陶瓷。

化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)是制备钨-纤维增强钨材料的常用工艺,CVD 也是半导体工业中的常用生产工艺。在该工艺中,气体分子吸附在包含一个加热基板的反应室表面并发生反应(图2),反应产生的高纯度薄膜材料层(钨)沉积在基板上。为了确保反应生成材料的相对密度和纤维体积分数符合预期要求,需要对 CVD 工艺进行优化,从而确保通过该工艺制备的钨-纤维增强钨材料可用于聚变反应堆。德国于利希研究中心(Forschungszentrum Jülich GmbH,FZJ)能源与气候研究所和德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所(Max Planck Institute for Plasma Physics)的研究人员对 CVD 工艺以及如何优化进行了研究。

Reaction chamber that is part of the CVD production. CVD production device, outer view
An inside look at the heated substrate in a CVD production device. CVD production device, inner view
图2化学气相沉积(CVD)生产设备的外部(左)和内部(右)视图

高性能钨材料制备 CVD 工艺的建模与仿真

钨的沉积速率是 Wf/W 材料制备 CVD 工艺的关键因素之一,其取决于温度与分压。钨的沉积速率难以预测,因为其涉及多种不同的参数,包括依赖于反应器几何形状、加热器温度、气体流速和气体组成的反应器表面温度和分压。

预测 CVD 工艺的一个重要目标是避免在钨材料中形成孔隙(图3)。在 CVD 工艺中,气体流过纤维基板,钨沉积在纤维的间隙。理论上,纤维间隙应该被固态钨填满,但是当大部分气相路径被钨沉积物封闭或堵塞时,一些气态域可能会与未反应物隔离。即,这些孔隙无法接触到填满钨所需的反应物,因此在整个工艺中它们仍然保持孔状。

为了减少或避免能够降低材料强度的孔隙形成,需要仔细调整基底的几何形状和 CVD 工艺参数。

A grayscale image of tungsten-fiber-reinforced tungsten material with pores. Tungsten-fiber-reinforced tungsten
图3 钨-纤维增强钨材料(f)中孔隙的形成

为了降低钨-纤维增强钨材料的孔隙率,于利希研究中心的材料工程师 Leonard Raumann 首先需要建立钨沉积速率方程。已有的文献报道对钨 CVD 工艺的研究存在争议,并且是不完整的,因为不同研究中的钨沉积动力学方程和解经常相互矛盾。综合各个文献(参考文献1)研究成果,Raumann 建立了一个用于 CVD 工艺的新速率方程。那么,他是如何建立的呢?

他使用常用的边界条件对单根纤维的制备进行了试验设计。借助 COMSOL Multiphysics® 软件的参数化求解,他找到了合适的速率方程。然后,再次使用 COMSOL Multiphysics® 软件和参数优化功能对多根纤维的钨-纤维增强钨制备进行建模,模拟得到的参数也被成功地用于实际生产中。

多物理场模型的开发和验证

用于开发新的钨 CVD 工艺速率方程的单根纤维模型设置如图 4 所示。模型包括一个预热器和一个主加热器。为了解钨的生长速率,以及温度和分压如何影响钨的生长速率,研究人员根据温度和六氟化钨(WF6)分压将 WF6 的反应阶次调整为 1 到 0 之间。为此,他们使用数值模型研究了混合气体的流体动力学,热损耗引起的传热,以及沉积表面的化学反应和速率方程。

A simplified lab setup of a preheater and main heater and the corresponding model geometry with an inset to show the details of the upper fiber holder and W fiber. Experimental setup and model geometry
图4 基于简化实验设置(a)的模型几何形状(b),右侧为钨纤维(细灰色垂直线,c)。
2D simulation results side-by-side, showing temperature in red-to-white color gradient on the left and partial pressure in a rainbow color table on the right. CVD process simulation results
图5 CVD 工艺中的温度(左)和分压(右)。半径(r)为 0.075cm 的纤维表面和半径(r)为 0.4cm 的内管表面。

Raumann 对生长在多根相邻钨纤维上的钨涂层,钨涂层的表面到表面接触,以及可能形成的孔隙进行建模。他将宏观 CVD 反应器模型计算得到的分压作为微观瞬态仿真的输入参数。然后,Raumann(参考文献1)将模拟结果与实验得到的钨-纤维增强钨材料 CVD工艺的沉积速率、孔结构和相对密度进行对比,成功地验证了模型(图6)。最后,他使用多根纤维模型对 CVD 工艺参数进行优化,提高了模拟的材料密度以及实验材料密度。

A comparison of experimental CVD process results to simulation results, where the overlaid image shows that the two agree; the pore formation creates a caterpillar-like impression. Experiments vs. simulation
图6 CVD 工艺中孔形成的实验结果(顶部)、模拟结果(中间)和两个结果的叠加图(底部)。

未来研究:模型扩展与应用

于利希研究中心能源与气候研究所的研究团队目前正在计划将经过验证的模型应用于 3D 几何,以进一步扩大钨-纤维增强钨材料的产量。为此,他们计划开发一种包含两个线圈的新方法。在该方法中,一个线圈将钨材料(CVD 基底)传输到另一个线圈,并且一个线圈未固定,另一个线圈被卷绕并加热。这样,可以在腔室关闭的情况下进行材料层堆叠,从而能够在一个 CVD 工艺中沉积所有材料层,同时也降低了污染的风险。

扩大钨-纤维增强钨材料的生产工艺意味可能实现新的聚变能。在进行这项研究之前,生产一层钨材料大约需要 5h,但是优化 CVD 工艺参数后,仅需 30min 即可生产出一层钨-纤维增强钨材料——生产效率提升了 10 倍!通过多物理场仿真优化聚变反应堆高性能材料的生产工艺,使得实现经济、可行的聚变能成为可能。


参考资料

  1. L. Raumann, Modeling and validation of chemical vapor deposition for tungsten fiber reinforced tungsten, dissertation, Energy & Environment, Schriften des Forschungszentrums Jülich, 2020.