聚变堆材料体系及特点资料.pdf

聚变堆材料体系及特点聚变堆材料体系及特点 热热 交交 换换 器器 发发 电电 或或 供供 热热 氚氚 循循 环环 等 离 子 体 等 离 子 体 包层包层 屏蔽屏蔽 线圈线圈 电电 循循 环环 中中 子子 辐射热辐射热 氘、氚氘、氚 He粒子热粒子热 偏滤器 磁约束聚变堆工作原理磁约束聚变堆工作原理 磁约束聚变堆部件径向分布情况磁约束聚变堆部件径向分布情况 高温高温- -低温、高压低温、高压- -高真空、强电流高真空、强电流- -强磁场、极度复杂高技术系统强磁场、极度复杂高技术系统 超超 导导 磁磁 体体 增增 殖殖 包包 层层 核核 辐辐 射射 屏屏 蔽蔽 层层 堆芯堆芯 等离子体等离子体 ~109℃ 102℃ ~ -200℃ (80k) ~ -269℃(4k) 热热 辐辐 射射 屏屏 蔽蔽 层层 （（液氮）液氮） 产生聚变中子产生聚变中子 （（14MeV) 包层功能：包层功能： • 能量获取能量获取 • 氚增殖氚增殖 • 包容等离子体包容等离子体 生 物 屏 蔽 • 等离子体物理等离子体物理 （（理论理论/实验实验、、微波加热微波加热、、真空真空、、诊断等诊断等）） • 核物理核物理 （（中子中子/光子光子/电子核设计与测量电子核设计与测量、、辐射防护辐射防护）） • 热与低温物理热与低温物理 （（热能热能、、制冷制冷、、流体流体）） • 电与磁物理电与磁物理 （（超导超导、、电源电源）） • 材料技术材料技术 （（金属金属/非金属非金属、、结构材料结构材料/功能材料功能材料) • 计算机技术计算机技术 （（仿真仿真、、可视化可视化、、控制控制、、网络等网络等）） • 其他交叉其他交叉 聚变堆材料是聚变能实现的“瓶颈“问题之一聚变堆材料是聚变能实现的“瓶颈“问题之一 －－－－ 聚变堆材料研究重要性聚变堆材料研究重要性 聚变堆相关关键学科聚变堆相关关键学科 聚变堆材料体系聚变堆材料体系 • 聚变堆包层及其材料聚变堆包层及其材料 –聚变堆包层聚变堆包层 –结构材料结构材料 –氚增殖材料氚增殖材料 –功能材料功能材料 • 面向等离子体部件及材料面向等离子体部件及材料 –与等离子体相互作用与等离子体相互作用 –低低Z Z材料材料 –高高Z Z材料材料 • 磁体及其材料磁体及其材料 1. 1. 聚变堆包层及其材料聚变堆包层及其材料 聚变堆包层聚变堆包层 结构材料结构材料 氚增殖材料氚增殖材料 功能材料功能材料 聚变堆包层聚变堆包层 • 包层是聚变堆核心部件包层是聚变堆核心部件 – 能量获取能量获取 – 氚增殖氚增殖 – 包容等离子体包容等离子体 FDS－II • 涉及材料涉及材料 – 结构材料结构材料 – 氚增殖材料氚增殖材料 – 功能材料功能材料 – 冷却剂冷却剂 一、结构材料一、结构材料 • 聚变堆结构材料聚变堆结构材料( (尤其是第一壁材料尤其是第一壁材料) )所处环境较为恶劣，所处环境较为恶劣， 对材料要求相对较高。

对材料要求相对较高 强中子辐照强中子辐照 电磁辐射电磁辐射 高热负荷高热负荷 复杂的机械负荷复杂的机械负荷 物理与化学冲击等物理与化学冲击等  辐照损伤辐照损伤  能量沉积能量沉积  机械应变及热应变的产生等机械应变及热应变的产生等 材料缺陷的产生材料缺陷的产生材料可用性下降乃至失效材料可用性下降乃至失效 聚变堆特殊条件：聚变堆特殊条件：高能中子辐照高能中子辐照 •中子能谱中子能谱 – 大量高能中子（大量高能中子（14MeV14MeV）） •离位损伤离位损伤 – 裂变堆裂变堆1~2MeV1~2MeV相比有很大不同相比有很大不同 • 轻原子损伤比例不变轻原子损伤比例不变, , 重原子增加数倍重原子增加数倍 • 辐照缺陷集中辐照缺陷集中 •嬗变反应嬗变反应 – 核反应的几率增大核反应的几率增大, , 如如(n, α), (n,p), (n,γ), (n,2n)(n, α), (n,p), (n,γ), (n,2n)等；等； 合金化合金化, , 如如NbNb使用使用2020年，铌材中产生年，铌材中产生13.5%13.5%的的ZrZr，，9.5%Mo9.5%Mo。

•氦的影响氦的影响 – 大量氦对材料引起的氦脆、肿胀等作用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聚变中子导致典型结构材料中嬗变反应HeHe产生率产生率5~20appm/dpa5~20appm/dpa，快堆以及，快堆以及 混合谱堆中十分之几混合谱堆中十分之几appmHe/dpaappmHe/dpa 结构材料要求及目前材料选择结构材料要求及目前材料选择 •基本要求：基本要求： – 耐耐14MeV14MeV中子辐照中子辐照 – 低活化低活化 •奥氏体不锈钢（如奥氏体不锈钢（如316316）） – 优点优点：完备的数据库，良好的焊接与加工性能：完备的数据库，良好的焊接与加工性能 – 缺点缺点：热导率低、不抗辐照肿胀，非低活化：热导率低、不抗辐照肿胀，非低活化 用于用于ITERITER屏蔽包层，但很难用于未来聚变堆屏蔽包层，但很难用于未来聚变堆 •低活化铁素体马氏体钢（低活化铁素体马氏体钢（RAFMRAFM）） – 使用温度约使用温度约550℃550℃ •钒合金钒合金 – 使用温度使用温度700℃700℃ •SiCSiCf f/SiC/SiC复合材料复合材料 – 使用温度使用温度1000℃1000℃ 低活化铁素体低活化铁素体/马氏体钢马氏体钢 • 缺点缺点 –上限运行温度相对较低（约上限运行温度相对较低（约550℃550℃）） • 优点优点 –热导率较高，热膨胀系数小热导率较高，热膨胀系数小 –抗辐照，低活化抗辐照，低活化 –先进的工业基础，现实可行性好先进的工业基础，现实可行性好 –经济性好经济性好 未来聚变未来聚变DEMODEMO堆和第一座聚变电站的首选结构材料堆和第一座聚变电站的首选结构材料 • 国际上目前发展的国际上目前发展的RAFMRAFM钢钢 –日本的日本的F82H, JLFF82H, JLF- -1 1 –欧洲欧洲 EUROFER97EUROFER97 –美国美国9Cr9Cr- -2WVTa2WVTa –中国低活化铁素体马氏体钢（中国低活化铁素体马氏体钢（CLAMCLAM）） 钒合金钒合金 • 优点：优点： –活化水平低活化水平低 –运行温度高（运行温度高（700℃700℃）） –辐照肿胀低辐照肿胀低 –与与LiLi有很好的相容性有很好的相容性  LiLi自冷包层系统的首选结构材料自冷包层系统的首选结构材料 • 缺点缺点 –抗氧化性能差抗氧化性能差 –规模生产经验少，目前基本处于实验室水平规模生产经验少，目前基本处于实验室水平 • V V- -4Cr4Cr- -4Ti4Ti是是V V合金中的首选合金中的首选 –发展发展V V合金的国家有：日本、苏联、美国、中国等合金的国家有：日本、苏联、美国、中国等 SiCSiCf f/SiC/SiC复合材料复合材料 •优点优点 – 高强度高强度 – 低活化水平低活化水平 – 耐高温耐高温（（10001000℃℃））热效率高热效率高 •发展不成熟发展不成熟 – 大型部件制造大型部件制造 – 密封连接技术密封连接技术 – 辐照肿胀与辐照蠕变辐照肿胀与辐照蠕变 – 辐照引起的热导率下降辐照引起的热导率下降 •SiCSiCf f/SiC/SiC作为结构材料的发展目标作为结构材料的发展目标 – 高温热导率高温热导率 – 低电导率低电导率 – 高温下与高温下与LiPbLiPb相容性好相容性好 – 抗中子辐照抗中子辐照 Thermal conductivity (W/m K) ~20 Therm. expans. coeff.(10-6K-1) ~4 Electrical conductivity (1/m) ~500 Porosity ~5% Young’s modulus (GPa) ~300 tensile strength/Sm (MPa) ~300 Max. operation temp. (oC) 1000 SiCSiCf f/SiC/SiC复合材料典型目标值复合材料典型目标值 结构材料发展综合评价结构材料发展综合评价 RAFM钢钢 V合金合金 SiCf/SiC Water- Cooled CB or LM He-Cooled CB Self-Cooled LM+Insert Self-cooled Li He-cooled CB Self-cooled Pb-17Li e.g.2-Phase Li+W Alloy Others? SiCf/SiC V-alloy RAFMs Development Risk Measure of Attractiveness 风 险 性 、 吸 引 力 风 险 性 、 吸 引 力 成 熟 度 、 可 行 性 成 熟 度 、 可 行 性 二、氚增殖材料二、氚增殖材料 Dual Functional Lithium Lead-Test Blanket Module （（DFLL-TBM）） 3-D Design for Tokamak（（ITER）） MeVHeTnLi79. 4 436  nHeTMeVnLi 437 )47. 2( 氚增殖材料分类氚增殖材料分类 • 液态增殖剂液态增殖剂 –材料材料 • 液态金属锂（液态金属锂（LiLi）、氟锂铍熔盐（）、氟锂铍熔盐（FLiBeFLiBe）、液态锂铅合金）、液态锂铅合金 （（LiLi17 17Pb Pb83 83） ） –优点：优点： • 高中子经济性高中子经济性 • 可提氚可提氚 • 可补充可补充LiLi6 6 • 固态增殖剂固态增殖剂 –材料：材料： • 合金型：合金型：AlAl- -LiLi • 陶瓷型：陶瓷型：Li2OLi2O、偏铝酸锂（、偏铝酸锂（LiAlO2LiAlO2）、偏锆酸锂（）、偏锆酸锂（Li2ZrO3Li2ZrO3）、）、 偏偏 硅酸锂（硅酸锂（Li4SiO4Li4SiO4）、钛酸锂（）、钛酸锂（Li3TiO3Li3TiO3））等；等； –优点优点 • 危险性低（无危险性低（无LiLi反应）反应） • 无磁流体动力学效应（无磁流体动力学效应（MHDMHD）） 三、功能材料三、功能材料（涂层）（涂层） •涂层功能涂层功能 – 防氚渗透防氚渗透 – 作为绝缘层，降低作为绝缘层，降低MHDMHD效应效应 – 防腐蚀层（增殖剂如防腐蚀层（增殖剂如LiPnLiPn）） •涂层材料涂层材料 – 氧化物层氧化物层：：Cr2O3Cr2O3、、Al2O3Al2O3、、Y2O3Y2O3、、SiO2SiO2、、TiO2TiO2等；等； – 钛基陶瓷涂层钛基陶瓷涂层：主要包括碳化钛和氮化钛，或两种的复合或混合；：主要包括碳化钛和氮化钛，或两种的复合或混合； – 硅化物涂层硅化物涂层：：SiCSiC和和Si3N4Si3N4。

•对涂层要求对涂层要求 – 电绝缘性电绝缘性 • 电绝缘性与涂层厚度的乘积要求电绝缘性与涂层厚度的乘积要求 ＞＞ 0.01Ωm20.01Ωm2 – 氚渗透降低因子氚渗透降低因子TPRFTPRF • 液态（液态（LiPbLiPb）冷却剂流道中：）冷却剂流道中：TPRF 100TPRF 100（相对于未加涂层的基体材料）（相对于未加涂层的基体材料） • 气相渗透：气相渗透：TPRF 1000TPRF 1000 – 与液态与液态LiPbLiPb有很好的相容性（＞有很好的相容性（＞500℃500℃）） 功能材料功能材料（流道插件）（流道插件） • 部件功能部件功能 –绝缘绝缘 –绝热绝热 –降低降低MHDMHD压降压。