第六章-聚变堆材料

聚变堆材料热交换器发电或供热氚循环等离子体包层屏蔽线圈电循环中子辐射热氘、氚He粒子热偏滤器磁约束聚变堆工作原理磁约束聚变堆部件径向分布情况高温-低温、高压-高真空、强电流-强磁场、中子辐射超导磁体增殖包层核辐射屏蔽层堆芯等离子体~109℃102℃~-200℃(80k)~-269℃(4k)热辐射屏蔽层（液氮）产生聚变中子（14MeV)包层功能：•能量获取•氚增殖•包容等离子体生物屏蔽聚变堆材料体系•聚变堆包层及其材料–聚变堆包层结构材料–氚增殖材料–功能材料–冷却剂•面向等离子体部件及材料–与等离子体相互作用–低Z材料–高Z材料•磁体及其材料1.聚变堆包层及其材料聚变堆包层结构材料氚增殖材料功能材料聚变堆包层•包层是聚变堆核心部件–能量获取–氚增殖–包容等离子体FDS－II•涉及材料–结构材料–氚增殖材料–功能材料一、结构材料•聚变堆结构材料(尤其是第一壁材料)所处环境较为恶劣，对材料要求相对较高。强中子辐照电磁辐射高热负荷复杂的机械负荷物理与化学冲击等辐照损伤能量沉积机械应变及热应变的产生等材料缺陷的产生材料可用性下降乃至失效聚变堆特殊条件：高能中子辐照•中子能谱–大量高能中子（14MeV）•离位损伤–裂变堆1~2MeV相比有很大不同•损伤能量高于裂变电站包壳材料能量的104倍•嬗变反应–核反应的几率增大,如(n,α),(n,p),(n,γ),(n,2n)等，生产新的原子核；合金化,如Nb使用20年，铌材中产生13.5%的Zr，9.5%Mo。•氦的影响–大量氦对材料引起的氦脆、肿胀等作用•聚变中子导致典型结构材料中嬗变反应He产生率5~20appm/dpa，快堆以及混合谱堆中十分之几appmHe/dpa（1appm=1×106表示原子比;dpa表示每个原子的离位次数）结构材料要求及目前材料选择基本要求：–耐14MeV中子辐照（抗辐照）–低活化材料选择：–奥氏体不锈钢（如316）•优点：完备的数据库，良好的焊接与加工性能•缺点：热导率低、不抗辐照肿胀，非低活化用于ITER屏蔽包层，但很难用于未来聚变堆–低活化铁素体马氏体钢（RAFM）•使用温度约550℃–钒合金•使用温度700℃–SiCf/SiC复合材料•使用温度1000℃结构材料特性—RAFM钢RAFM在日本以及欧洲的研究开展较早，工业基础以及技术已比较成熟，中国的RAFM（CLAM）钢研究到目前也已经取得了较大的进展。特点及优点：–RAFM钢的机械性能及热物理性能较好–中子活化水平较低–具有低的塑脆转换温度（DBTT）和良好的抗辐照损伤能力–与液态金属相容性较好–较好的抗辐照蠕变与抗疲劳的能力–具有很强的现实可行性，而且成本相对较低关键问题：–但其在辐照条件下的脆性问题以及磁渗透问题需要解决，而且在高温条件下的机械性能需要进一步提高（550C）。结构材料特性--更先进材料难熔合金和碳化硅复合材料在耐高温以及抗辐照方面有明显的优势，是未来先进包层设计的主要候选材料.但其发展时间较短，工业基础薄弱，加工工艺相对较难，而且价格昂贵，限制了它们在早期聚变堆中的应用，但随着技术的发展，先进材料必将在聚变堆中扮演重要的角色。从包层结构材料的发展趋势上看，RAFM钢最有可能率先获得应用，V合金其次，最后才是SiCf/SiC和W合金。结构材料发展综合评价RAFM钢V合金SiCf/SiCWater-CooledCBorLMHe-CooledCBSelf-CooledLM+InsertSelf-cooledLiHe-cooledCBSelf-cooledPb-17Lie.g.2-PhaseLi+WAlloyOthers?SiCf/SiCV-alloyRAFMsDevelopmentRiskMeasureofAttractiveness风险性、吸引力成熟度、可行性二、氚增殖材料3-DDesignforTokamak（ITER）7432.5LinTHeMeVn快慢MeVHeTnLi8.4463＋慢氚增殖材料分类•液态增殖剂–材料•液态金属锂（Li）、氟锂铍熔盐（FLiBe）、液态锂铅合金（Li17Pb83）–优点：•高中子经济性•可在线提氚•可在线补充Li6•固态增殖剂–材料：•合金型：Al-Li•陶瓷型：Li2O、偏铝酸锂（LiAlO2）、偏锆酸锂（Li2ZrO3）、偏硅酸锂（Li4SiO4）、钛酸锂（Li3TiO3）等；–优点•危险性低（无Li反应）•无磁流体动力学效应（MHD）液态氚增殖剂材料特性液态增殖剂主要包括液态金属锂Li、液态锂铅共晶体LiPb、熔盐Flibe等由于液态氚增殖剂中Li的原子比较高，单位体积内的Li的原子数较多，因此可以达到较高的氚增殖率。而对LiPb和FliBe来说，其内部含有的Pb和Be本身就是良好的中子增殖剂，因此一般情况下液态包层中不需要单独使用中子倍增材料。液态金属没有中子辐照损伤和热机械性能方面限制，在结构材料温度允许的条件下其运行温度可以达到很高。固态氚增殖剂材料特性固态氚增殖剂主要包括Li4SiO4,Li2Ti2O3,Li2ZrO3,LiAlO2和Li2O等。由于受到Li的原子比以及填充率的限制，固态包层的氚增殖率普遍不高，为了达到合适的氚增殖率，需要在包层中布置可以提高中子产额的中子倍增剂，如Be等。固态陶瓷氚增殖剂和中子倍增剂Be在中子辐照和高温条件下，其热物理性能和机械性能会大大降低，因此对它们的使用温度有一定的限制，其允许使用的温度上限分别为900C和650C。早期的增殖剂设计有棒状、板状和小球形式。经过长期的研究和发展，球床形式的氚增殖剂以及中子倍增剂已经成为了首选，便于氚提取和滞留量的控制。三、功能材料--涂层•涂层功能–防氚渗透–作为绝缘层，降低MHD效应–防腐蚀层（增殖剂如LiPn）•涂层材料–氧化物层：Cr2O3、Al2O3、Y2O3、SiO2、TiO2等–钛基陶瓷涂层：主要包括碳化钛和氮化钛，或两种的复合或混合–硅化物涂层：SiC和Si3N4•对涂层要求–电绝缘性•电绝缘性与涂层厚度的乘积要求＞0.01Ωm2–氚渗透降低因子TPRF•液态（LiPb）冷却剂流道中：TPRF100（相对于未加涂层的基体材料）•气相渗透：TPRF1000–与液态LiPb有很好的相容性（＞500℃）功能材料--流道插件•部件功能–绝缘–绝热–降低MHD压降•SiCf/SiC复合材料–（可选材料）•存在问题–材料制备工艺技术不成熟，需探索研究–复杂形状尺寸的加工和连接问题–与LiPb的相容性问题四、冷却剂材料在目前的包层设计中冷却剂主要包括三类，氦气、水以及液态金属（包括熔盐）。固态包层的冷却剂主要是氦气和水，而液态包层除了可以用氦气和水之外，氚增殖剂本身也可以通过自身的流动将热量带出，起到冷却剂的功能。固态增殖剂包层由于只有一种冷却剂，因此只能选择单冷模式。而液态包层则可以选择单冷、双冷或液态金属自冷三种冷却方式。按冷却剂的种类分类氦冷方案：HCPB包层：HCSB包层：HCLL包层：DFLLSLL包层：HCML包层：水冷TBM：WCLL包层：水压~15MPa,325℃液态锂冷包层:Li-V包层：压力~1MPa，550℃液态锂铅/氦气双冷包层：LLCB包层：DCLL包层：DFLLDLL、HTL包层：RAFM作结构材料RAFM作结构材料Li陶瓷熔盐LiLiPb液态合金Li陶瓷Li陶瓷V合金作结构材料2.面向等离子体部件及材料2.1与等离子体相互作用2.2低原子序数材料2.2高原子序数材料面向等离子体材料（PFM）功能在核聚变堆中，面向等离子体材料是一个非常重要的材料，它关系到反应堆中等离子体的稳定性、第一壁结构材料和元件免受等离子体轰击损伤等问题。主要功能：1、有效的控制进入等离子体的杂质2、有效地传递辐射到材料表面的热量3、保护非正常停堆时其他部件受等离子体轰击而损坏因而，对PFC材料的总体要求是：耐高温、低溅射、低氢滞留、与结构材料的兼容等等离子体与材料表面相互作用•等离子体对材料的损伤–物理溅射•粒子通过碰撞交换给靶，原子能量足以克服靶原子间束缚力而使之逸出表面。–化学溅射•入射粒子与靶原子发生化学反应，在表面产生不稳定化合物而脱离表面。–表面起泡和剥落•氦离子轰击可在表面层下形成含氦量高的区域，并形成氦泡，到达一定程度后隆起形成气泡，满足一定条件后破裂。•等离子体玷污–材料表面放出的各种粒子（包括所吸附的工作气体、杂质气体和组成材料本身的元素）进入等离子体约束区后，对等离子体约束特性造成的影响。面向等离子体材料(PFM)低Z材料–材料•石墨，碳纤维增强碳纤维复合材料（CFC），硼（B），锂（Li），铍（Be）等–特点•中心等离子体容许浓度高•低溅射阈能•充足的运行经验高Z材料–材料•W及其合金•Mo及其合金–特点•中心等离子体容许浓度低•高溅射阈能•运行经验有限PFM材料BeCBMW优点与等离子体的相容性（低Z）低Z值（积累了大量经验）可原位修复相对较高热导值高热导率高热导无化学溅射优良的热冲击性（特别是CFC材料）可承受高热应力可原位修复低破裂腐蚀率物理溅射域值高，没有化学腐蚀（H+）强的吸氧能力作为高热通量部件可以用作限制器及偏滤器材料高熔点低活性低的氚储存和肿胀缺点耐中子辐照能力低辐照增强升华中子辐照后发脆800℃以上耐氧化性差低的抗氧化性高的辐射性低熔点氚储存量大高Z（等离子体中可容许浓度低）使用寿命短中子辐照后热导降低（但通过退火可部分恢复）在大的聚变装置中缺乏大量使用数据有毒性，需安全措施需一定焙烧和清洗技术差的加工性尘埃易爆与铜热沉连接时的热膨胀时失配较大与铜热沉连接时的热膨胀时失配较大尘埃易爆尘埃易爆面向等离子体材料的侯选材料碳材料碳材料是一种已长期使用的低Z面向等离子体材料,它具有极好的抗热冲击能力并且与等离子体有良好的相容性。作为面向等离子体材料,高性能的石墨和C/C复合材料经受住了聚变实验装置实际运行的考验,并且证明了这些材料的可行性。但它在400～800℃之间具有较高的化学溅射率,这不仅侵蚀了碳材料本身,而且将大量碳原子引入等离子体,使等离子体品质下降。在这些应用中,发现一般的纯碳石墨材料存在一些缺点:氚存贮量高、化学溅射和辐射增强升华损失大以及机械强度较低等。为克服碳石墨材料这些缺点,美、英、日等国在碳石墨材料的改性研究方面开展了大量的工作,主要采用陶瓷粒子均质弥散法、新型碳/陶复合材料等方法。举例：石墨–最初使用的碳基材料高纯石墨–现在仍然在Takomak中使用，但不适用于未来聚变堆。–主要缺点：•石墨的孔隙较大，导致水蒸气、H2、O2等多种气体大量贮存于孔隙，特别是对于聚变燃料氘、氚存贮量高，给聚变实验装置的再循环控制造成了困难。•其耐高温氧化性差，并有高化学溅射和辐照升华(RES)现象，使用寿命较短等。–石墨性能改进方法：掺杂石墨（提高抗氧化能力）·石墨中加入B、Ti和Si等杂质元素能有效抑制化学溅射现象，并提高机械性能、热性能、真空性能。铍材料铍是低Z材料它热导率高、对氧亲和力高且与氢没有相互作用等特点,使得它被选为ITER中面向等离子体材料。铍在欧洲联合环(JET)中使用并取得成功。在氚增殖包层中,它被选为中子倍增材料。铍的熔化温度低(1284℃)、蒸汽压高、物理溅射产额高等缺点又限制了它的使用,并且它的抗热冲击性能也是一个备受关注的问题。另外，铍还有毒,据计算每一立方米的空气中只要有一毫克铍的粉尘,就会使人染上铍肺病,但通过一些技术上的处理中毒还是可以避免的。铍在低辐照温度下(低于300℃)变脆,铍的低温脆性可能导致铍的脆性破坏,并影响瞬态过程中铍的热剥蚀铍•金属铍的主要优点：–很低的等离子体沾染和很低的等离子体辐射损失–很好的吸氧能力–很低的氚滞留量–与C相比没有化学溅射的问题(即与H的共沉淀)–能够应用等离子体溅射的方法来修复损伤的表面•主要缺点–熔点比较低（约1200℃）–在非正常等离子体现象中有熔化现象–与W相比溅射阈能比较低，溅射率高–本身有毒性钨材料