聚变堆材料(部分示意,仅供参考)

1、核聚变反应堆所用的材料主要包括：

A 热核材料；

B 第一壁材料；

C 高热流部件材料；

D 氚增殖材料

2、核聚变堆设计和工况条件

A 第一壁环境条件，第一壁是聚变堆中离等离子体最近的部件，应具有抗中子辐照损伤能

力，对氢脆和氦脆（指材料中掺入氢气、氦气，材料会变脆，相应性能降低）不敏感，与冷却

介质和包层材料相容性好。

B 真空壁材料的设计限值，包括使用温度、热导率、热膨胀系数、强度、弹性模量等上限

要求。

C 比起裂变反应堆，聚变反应堆具有特有的材料工艺问题：超导磁体及低温技术，强磁场下导电液体的泵送技术，14MeV 中子的辐照损伤、氦离子轰击和溅射起泡现象等。

3、第一壁材料

（1）奥氏体（可以说是铁的同位素钢中性能最好的一种，应用范围最广，但也不绝对）不

锈钢。

优点：该材料具有良好的加工、焊接性能，与氦冷却剂和陶瓷增殖材料相容性好；缺点：但屈服强度较低，抗辐照肿胀性较差。

（2）铁素体和马氏体不锈钢

优点：与奥氏体不锈钢相比，抗辐照肿胀性好，具有更高的热应力因子和更好的液态金属腐蚀行为，与候选冷却剂及氚增殖剂的化学相容性好；

缺点：但对热机械处理十分敏感，退火（钢材料性能改善的手段之一，退火温度由相图决定。简单地讲，就是将钢的温度加热到某一温度，使晶格发生变化，以达到某种性能，再在这一新材料的基础上用某种手段降温至室温，降温速度不同，材料变形不同）温度和时间的变化对其性能影响较大，且焊接工艺要求较为苛刻。

（3）钒合金优点：具有优良的高温力学性能、抗腐蚀肿胀性能和低中子活化特性，与高纯氦相容性好，一般需要在合金表面覆镀一层绝缘性膜；

缺点：不过存在氢脆现象，且钒合金的工业生产经验和性能数据较为贫乏，目前通常在惰性保护气体或真空环境中进行该合金的焊接工作。

（4）SiC/SiC 复合材料

优点：具有优良的高温性能。在氦冷却介质系统中可工作到800摄氏度，可大大提高能源系统的热效率。它比金属类材料在安全、维护和放射性处理方面具有更大的优势。

缺点：影响SiC/SiC 复合材料性能的关键环节是在结合基体材料之前沉积在纤维预型上的纤维和基体间的界面层，一般用碳。复合材料的首选工艺是化学气相渗入法（渗N2、C）

（CVI ）。

中子辐照对其热导率的影响与辐照温度密切相关，即辐照温度越低，则热导率下降越多。

4、高热流部件材料：指孔栏和偏滤器中承受高热负荷的部件。

（1）铜合金

优点：可消散等离子体破裂时产生的局部过热作用。铜合金具有良好的导热效率（仅次于银）；缺点：但是易受因素影响而变弱：

A 辐照缺陷组分在低温辐照达到饱和值，相当与热导率降低

B 沉淀或氧化物粒子由于高能离位级联冲击而溶解

C 嬗变产物（ Ni 、 Zr 和 Co 等）的积累

（2）钼合金 优点：具有熔点高、高温强度高、高热膨胀系数、溅射产额低等优点。且高温下 抗晶粒长大 （晶粒越小，强度、硬度低，塑性、韧性好） ，稳定性较好，但延展性小。目前有钼钛合金、 钼铼合金等产品。

缺点：钼合金的发展目标是抑制再结晶脆性和辐照脆性。

（3）铌合金

除了存在与氢相互作用的问题， 其他性能均比钼合金优越， 如在惰性气氛中较易焊接， 抗辐 照脆化性好。

5、面向等离子材料：是一种保护第一壁、孔栏和偏滤器部件结构材料，使其免受等离子体 逃逸粒子的溅射作用。

其具体要求为：具有低溅射速率、高热冲击抗力、高热负荷能力、低氚存留量、低活化放射 性和低衰败余热，一般要求为低原子序数的材料，如碳和铍。

（1）碳纤维复合材料

优点： 碳基材料因原子序数低而与等离子体有良好的相容性， 易高温下熔化，在高热流密度下有良好的热力学性能。

缺点： 不过对氚的滞留行为有不利的影响， 可能与氚共沉积。 热导率

（2）铍

优点： 其原子序数比碳还低，对氧的亲和力高，与氢无相互作

用， 能力，可作为很好的面向等离子材料； 缺点：不过存在熔

化温度低，蒸气压高，物理溅射产额高，具有一定毒性等缺点。

（3）钨与钨合金

优点：钨是熔点最高的金属，蒸气压最低，热导性好，高温强度高，不与氢反应，不与氚共 沉积，是良好的高热流密度部件的保护材料；

缺点：其缺点是具有 再结晶 脆性和辐照脆性，其能量较高时，自溅射系数大。 6、氚增殖材料：氚增殖材料可与结构材料、冷却介质及其他材料一起构成聚变堆的包层， 从而产生氚，并将聚变能转变为热能并由冷却剂带走。

具有三个功能： a 将聚变能转变为有用的热并传给冷却剂； b 生产氚燃料； c 提供对人员和 敏感部件的核防护，即要求其锂密度高，热中子吸收截面小。

（1）液态增殖材料 具有如下优点：氚回收容易将其直接引到包层外，不存在辐照损伤、高热导率等。

（2）陶瓷增殖材料 具有优良的热物理性质和力学性质， 较高的氚释放能力， 特别是具有很好的热稳定性和化学 惰性，符合安全标准。

老师说：主要是材料的功能和优缺点。老师的口很紧，所以内容比较多。

具有极好的抗热冲击能力。 不 中子辐照也可减小碳基材料的 低感生活性和高中子倍增