核聚变反应堆用功能涂层制备技术发展现状

核聚变反应堆用功能涂层制备技术发展现状

王述钢，蒋驰

（中国工程物理研究院，四川绵阳621900）

摘要：从制备技术角度分析了近年来在核聚变反应堆研制过程中第一壁热沉材料、第一壁结构材料、阻氚渗透层、中子吸收材料的发展现状。

关键词：核聚变反应堆；功能涂层；技术发展中图分类号：TG174.442

文献标识码：A

文章编号：1674-7127（2012）01-0001-04

Review of Function Coatings Used for Reactors

WANG Shu-gang ，JIANG Chi

（China Academy of Engineering Physics ，Mianyang 621900，Sichuan Province ，China ）

Abstract:From the perspective of preparation technology ，the developments of heat sink ’s material and structural material for the first wall in the fusion reactor ，tritium permeation barrier for reactors ，neutron absorbing material for reactors in recent years are reviewed.

Keywords:Nuclear reactor ；Function coatings ；Technology development

作者简介：王述钢（1970-），男，山东省海阳市人，本科，工程师.Email ：wsh7470@

核能是目前世界上可以有效解决未来能源需求的主要途径之一，而核聚变反应堆又是实现核能的关键技术，经过多年的探索，其应用研究已经取得很大的进展，结构材料和功能材料的研制始终是决定核聚变反应堆性能的热点问题。目前，在苛刻工作环境条件下采用单一的材料远远不能满足技术要求，各种先进技术和复合材料已经应用于各种核聚变反应堆制造工艺中，其中主要的功能涂层包括核聚变反应堆第一壁候选热沉材料（钨/铜）、第一壁候选结构材料（钒合金）、阻氚渗透层（TiC 、SiC 及Er 2O 3等）、中子吸收材料（碳化硼）等。本文就近年来涂层技术在核聚变反应堆应用方面的研究现状进行探讨[1]。

1第一壁候选热沉材料（钨/铜复合梯度涂层）

[2-8]

受控热核聚变发展的一个关键问题是面向等

离子体材料（PFM s ）。等离子体面壁材料，即直接与等离子体相互作用的材料，由于要直接承受高热负荷、等离子体破裂时的大功率能量沉积、高能逃逸电子的轰击以及杂质粒子和等离子体燃料粒子等的轰击，因此对材料的性能要求十分苛刻。相比于国外，我国对PFMs 的研究起步较晚，主要由核工业西南物理研究院、

中科院等离子体物理研究所开展了相关研究，北京科技大学葛昌纯教授研究小组在国家863计划、国家自然科学基金等的资助下对几种面向等离子体功能梯度材料体系进行了研究，但相对我国核聚变实验装置的未来需求还有很大差距。

钨及其合金材料具有高熔点、低蒸气压、低氚滞留和极低的溅射腐蚀率等诸多优点，被广泛认为是等离子体面壁材料之一。目前钨涂层的主要研制方法采用等离子喷涂方法。等离子焰流温度高、

速第4卷第1期2012年3月

热喷涂技术Thermal Spray Technology

Vol.4，No.1M ar.，2012

热喷涂技术4卷

度快，可以进行气氛保护，适于制作大工件和复杂形状产品，是制备高质量厚钨涂层的最佳方法，也是聚变PFM的重要制备方法。已经有许多国内外专家学者从事W/Cu梯度涂层喷涂工艺的研究，取得了部分进展。

作为面向等离子体材料，除要与等离子体良好相容外，还必须与高导热的热沉材料相连，以便迅速将沉积在表面的热量传导出去。铜及其合金因具有极高的热导率，可迅速传递热量，因而被选作等离子体面壁的热沉材料。W/Cu连接最大的难题是由于钨与铜的物理性能差别较大，复合材料在承受高热负荷时连接界面处产生很大的应力，该应力将导致材料快速分离，造成工件产生裂纹、分层及寿命缩短，而成为等离子体面壁材料失效的主要原因。

PFM s与Cu基热沉材料的连接技术成为制造面向等离子体部件的重要技术，美、俄、德、日等国均很重视这项工作；我国也在国家高技术研究发展计划纲要中作为新概念、新构思探索课题专门对“钨、石墨与铜合金的焊接技术”立项。目前，W/Cu 复合材料连接方法主要包括熔渗法、烧结法、等离子喷涂法、焊接法、热等静压法、活性金属铸造等；针对钨、铜两种材料物理性能上的差异，比较有效的措施是在两者界面连接处采用过渡层，其中钨、铜梯度层较为有效。

2第一壁包层候选材料（钒合金涂层）[9-11]

钒合金是重要的聚变堆第一壁包层候选材料之一，具有优良的安全和环境特性、良好的加工性能、较高的承受高温和高热负荷能力、与液态金属良好的相容性和抗辐照损伤能力。

目前，钒合金的制备主要采用真空自耗电弧熔炼和热等静压两种方法。大块V-4Cr-4Ti铸锭均采用的真空电弧熔炼方法，A.K.Shikov等人采用真空自耗电弧熔炼方法制备了40kg的铸锭，分析表明合金元素的偏析比较严重，铸态主要是树枝状晶粒，经过1300℃、1h退火后，成分分布趋于均匀，大小不一的等轴晶取代了树枝晶，铸锭杂质含量控制得也比较好。国内谌继明等人采用纯金属，在磁悬浮炉中冶炼V-4Cr-4Ti合金。国外已经有学者采用冷喷涂技术研制出了性能良好的钒部件及涂层。3阻氚渗透层（TiC、SiC及Al2O3层）[12-17]

核能与氢能被认为是可大规摸代替常规能源的既干净又经济的现代能源，然而无论是在氢作燃料的系统中，还是在以氘、氚作燃料的聚变堆和混合堆系统中，都面临着腐蚀、脆化、渗透和滞留等严重的材料科学问题。目前，研究较多的阻氢渗透层主要有TiC、SiC及Al

2

O3等材料。

TiC、SiC镀层的制备方法主要采用物理气相沉积、磁控溅射和离子束辅助沉积直接制备。姚振宇等利用PVD方法在316L不锈钢表面制备出TiN+TiC+TiN和TiN+TiC+SiO2涂层。膜与基体结合好，无分层，致密无孔洞，在500℃以下表现出良好的防氚渗透性，镀层的氚渗透率比镀钯膜（对氚无阻挡作用）的316L分别降低了4～5和4～6个数量级。原子能研究院郝嘉琨等在316L不锈钢表面

用磁控溅射方法镀出A1

2

O3，膜与基体相容性好，且具有抗氧化、抗热冲击、抗辐照、低活性等特点，氚在其中的渗透率低。在604～773K温度下，氚在此种材料中的渗透率比在基体材料中低4～6个数量级。姚振宇等采用分步偏压辅助射频溅射法在316L不锈钢表面制备SiC薄膜，作为聚变堆第一壁及包层结构材料的氚渗透阻挡层，5OO℃时带有SiC膜的316L不锈钢的氚渗透率，与表面镀钯膜的316L相比，氚渗透率减低因子（PRF）值达到1O 以上。北京科技大学王佩璇等在316L不锈钢片表面用离子辅助沉积和溅射沉积加上离子注入方法制备SiC薄膜，改性膜的氚渗透率降低近5个数量级。

Al2O3镀层主要采用直接和间接两种制备方法：（1）直接制备方法包括电镀、物理气相沉积、磁控溅射沉积、等离子喷涂等工艺方法，直接制备Al2O3层；（2）间接制备方法主要是采用电镀、固体包埋、磁控溅射沉积、热浸镀和熔盐镀等方法在不锈钢表面渗镀铝层，然后将其进行氧化生长形成Al2O3层。

在聚变堆阻氢候选材料中，氧化铒由于与液态锂有很好地兼容性、良好的绝缘性和高温热力学稳定性，具有一定的抗中子辐照能力的优越性正受到

了越来越多的关注。在性能和结构上，Er

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O3与Al2O3具有相似的化合价、晶格常数和一定的自我

修复微小裂纹能力等；同时，Er

2

O3工艺温度较低，

2··