聚变堆材料体系及特点

• 电与磁物理
（超导、电源）
• 材料技术
（金属/非金属、结构材料/功能材料)
• 计算机技术
（仿真、可视化、控制、网络等）
• 其他交叉
聚变堆材料是聚变能实现的“瓶颈“问题之一
－－> 聚变堆材料研究重要性
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
• 面向等离子体部件及材料
– 材料的有些杂质控制非常的严格一般在ppm量级，这对材料的制 造及加工是一个很大的挑战。
面向等离子体材料分类
• 低Z材料
– 材料
• 石墨，碳纤维增强碳纤维复合材料 （CFC），铍（Be）等
– 特点
• 中心等离子体容许浓度高 • 低溅射阀能 • 充足的运行经验
• 高Z材料
– 材料
• W及其合金 • Mo及其合金
PFM材料选择考虑问题
• 未受辐照的机械与热物理性能
– 热传导性能、强度和延展性，抵抗热冲击和热疲劳能力，结构稳定性。
• 化学相容性和腐蚀
– PFM材料与其它材料的相容性和作为管材与冷却剂的相容性 – PFM材料在高温低压情况下的蒸发及与其他杂质的相互作用, 如：O与
He等
• 材料的价格、加工和连接技术
– 大量高能中子（14MeV）
• 离位损伤
– 裂变堆1~2MeV相比有很大不同
• 轻原子损伤比例不变, 重原子增加数倍 • 辐照缺陷集中
• 嬗变反应
– 核反应的几率增大, 如(n, α), (n,p), (n,γ), (n,2n)等； 合金化, 如Nb使用20年，铌材中产生13.5%的Zr，9.5%Mo。
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）
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。
Measure of Attractiveness
e.g.2-Phase Li+W Alloy
Self-cooled Pb-17Li
Others?
He-cooled
CB SiCf/SiC
Self-Cooled LM+Ins ert
Self-cooled
Li
V-alloy
He-Cooled Water- CB Cooled CB or LM
– 特点
• 中心等离子体容许浓度低 • 高溅射阀能 • 运行经验有限
PFM材料
面向等离子体材料的侯选材料
CBM
Be
W
低Z 值（积累了大量经验）
优
高热导率
与等离子体的相容性 （低Z）
相对较高热导值
可原位修复 高热导
优良的热冲击性（特别是CFC 材料） 无化学溅射
可承受高热应力
低破裂腐蚀率
可原位修复
物理溅射域值高，没有化学腐蚀 （H+）
• 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
• 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。
Li自冷包层系统的首选结构材料
• 缺点
– 抗氧化性能差
– 规模生产经验少，目前基本处于实验室水平
• V-4Cr-4Ti是V合金中的首选
– 发展V合金的国家有：日本、苏联、美国、中国等
SiCf/SiC复合材料
• 优点
– 高强度 – 低活化水平 – 耐高温（1000℃）热效率高
• 发展不成熟
– 大型部件制造 – 密封连接技术 – 辐照肿胀与辐照蠕变 – 辐照引起的热导率下降
Thermal conductivity (W/mK) Therm. expans. coeff.(10-6K-1) Electrical conductivity (1/m)
Porosity Young’s modulus (GPa)
~20 ~4 ~500 ~5% ~300
• SiCf/SiC作为结构材料的发展目标
– 在中子辐照下性能一般会下降，如辐照引起的材料硬化，从而使延 展性下降导致韧脆转变温度(DBTT)升高，缩小了材料的安全使用 温度范围。
– 在D/T聚变堆中D及T在材料中的氚滞留和循环使用问题是很重要 的，这影响到堆的正常运行。
• 安全和废料的处置
– 在反应堆停止运行后的材料的处理，这就要求在选择材料时不能用 活化特性金属（嬗变元素放射性寿命较长）。
– 研究结果表明，氚的滞留量随中子损伤的增加而增加，并在高于 0.1dpa时达到饱和值。
• CFC中氚的滞留量在0.1dpa时，约为1000appm。 • 细晶粒石墨中0.1dpa时，约为7000appm。 • 差别可能原因是微观结构，在CFC中氚被捕获的边角位置比较少。
– 托卡马克研究表明，滞留中占优势机制为碳与氢位素的共沉积。
– 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
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
等离子体与材料表面相互作用
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
RAFMs
Development Risk
二、氚增殖材料
Dual Functional Lithium Lead-Test Blanket Module （DFLL-TBM）
3-D Design for Tokamak（ITER）
6Li n3T 4He 4.79MeV
7 Li n(2.47MeV )3T 4He n
• 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℃
低活化铁素体/马氏体钢
• 缺点
– 上限运行温度相对较低（约550℃）
• 优点
– 热导率较高，热膨胀系数小 – 抗辐照，低活化 – 先进的工业基础，现实可行性好 – 经济性好
未来聚变DEMO堆和第一座聚变电站的首选结构材料
• 国际上目前发展的RAFM钢
– 日本的F82H, JLF-1 – 欧洲 EUROFER97 – 美国9Cr-2WVTa – 中国低活化铁素体马氏体钢（CLAM）
• 优点：
钒合金
– 活化水平低
– 运行温度高（700℃）
– 辐照肿胀低
– 与Li有很好的相容性
层 堆芯 等离子体
层
（液氮）
~109℃
102℃
~ -200℃ (80k) ~ -269℃(4k)
高温-低温、高压-高真空、强电流-强磁场、极度复杂高技术系统
聚变堆相关关键学科
• 等离子体物理
（理论/实验、微波加热、真空、诊断等）
• 核物理
（中子/光子/电子核设计与测量、辐射防护）
• 热与低温物理
（热能、制冷、流体）
在大的聚变装置中缺乏大量使用数据 差的加工性
与铜热沉连接时的热膨胀时失配较大 尘埃易爆
与铜热沉连接时的热膨胀时失配较大
尘埃易爆
尘埃易爆
碳基材料及性能特点
– 最初使用的碳基材料 高纯石墨，现在仍然在Takamak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。
• JET MkII偏滤器泵送区域后面的冷区中发现了氘饱和材料的膜和薄片， 根据分析约占全部氘燃料的4%。
CFC的辐照效应
辐照会导致CFC材料各种性能的变化。 – 弹性模量
• 辐照导致CFC材料弹性模量增加；
– 热膨胀系数
• 不同材料的热膨胀系数在辐照前后变化规律有所不同，趋势变大
– 热导率
• 损伤剂量很低如10-3dpa的辐照即可减小CFC的热导率。 • 热导率的减小程度显著依赖于辐照温度，辐照温度升高则辐照引起的热
– 高温热导率 – 低电导率 – 高温下与LiPb相容性好 – 抗中子辐照
tensile strength/Sm (MPa)
~300
Max. operation temp. (oC)
1000
SiCf/SiC复合材料典型目标值
结构材料发展综合评价
风 RAFM钢 成
险
熟
性
度
、 V合金
、
吸
可
引
行
力 SiCf/SiC 性
– 石墨性能改进方法：掺杂石墨（提高抗氧化能力） • 向石墨中加入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。
氚在碳基材料中的滞留
– 碳可以导致在剥蚀和共沉积形成的含碳复合物的混合物中的高速率的 氚共沉积。
• 根据模拟计算估计，每次启动氚的共沉积为1~20g。
– 材料的价格是其经济性的考虑，有些PFM材料的价格是很昂贵的，每公 斤高达几百美元。像单晶钨就是因为价格太高而没有经济可行性从 ITER的计划中去除去了。
– 加工费用可能还要比材料本身要贵的多。 – 组成各个功能部件的材料的膨胀系数并不相同，所以各种材料的连接技
术也是关键的。
• 辐照的材料性能的改变(包括中子辐照和离子的辐照)
• 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。
基本图像及过程
作用机制：
• 溅射； • 蒸发； • 解吸； • 起弧； • 背散射； • 反扩散； • 表面起泡； • 氢在晶界处析出等； • 中子辐照引起的体损伤等
聚变堆材料体系及特点
磁约束聚变堆工作原理
氚
线圈
循
环
屏蔽
包层
中
等
子
离 子
体
辐射热
偏滤器
电 循 环
热
发 电
交
或
换
供
器
热
氘、氚
He粒子热
磁约束聚变堆部件径向分布情况
包层功能：
• 能量获取
• 氚增殖
产生聚变中子 （14MeV)
• 包容等离子体
核
辐
增
射
殖
屏
包
蔽
热 辐 射 屏 蔽 层
超 导 磁 体
Байду номын сангаас
生 物 屏 蔽
作为高热通量部件可以用作限制
点 器及偏滤器材料
强的吸氧能力
高熔点
低活性
低的氚储存和肿胀
辐照增强升华
耐中子辐照能力低
中子辐照后发脆
低的抗氧化性
800℃以上耐氧化性差 高的辐射性
氚储存量大
低熔点
高Z（等离子体中可容许浓度低）
缺 点
中子辐照后热导降低（但通过退火可 部分恢复）
需一定焙烧和清洗技术
使用寿命短 有毒性，需安全措施
– 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 – 冷却剂
一、结构材料
• 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
结构材料要求及目前材料选择
• 基本要求：
– 耐14MeV中子辐照 – 低活化
• 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
• 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：TPRF > 100（相对于未加涂层的基体材料） • 气相渗透：TPRF > 1000
– 与液态LiPb有很好的相容性（＞500℃）
功能材料（流道插件）
• 部件功能