钨在核聚变反应堆中的应用研究
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ｒ ｉ ａ ｌ ， Ｐ Ｆ Ｍ） 作 为 高温 等 离 子体 外 围 的第 一道 屏 障 ， 其
耐高束流低 能等离子体 （ 包括 Ｄ ￣／ Ｉ － Ｉ ｅ 粒子 ） 、 稳 态热流
（ ～１ ０ＭＷ， ｍ ２ ） 与瞬态热 冲击 （ ￣Ｇ Ｗ／ ｍ２ ） 、 高能 １ ４Ｍｅ Ｖ 聚变 中子 辐 照 的能力 是等 离子 体 高参 数稳态 运 行 的
ｍｏ ｄ ｅ ， Ｅ Ｌ Ｍｓ ） 产 生 的高 热流 也将 以稳 定 的频 率 作用 于 靶板 上 。非稳 态运 行工 况则主 要 为等离 子体 发生
垂 直位 移 （ Ｖ ｅ ｒ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｅ ｖ ｅ ｎ ｔ ｓ ， Ｖ Ｄ Ｅ ｓ ） 和 破
Ｆ ｉ ｇ ． １ Ａ ｔ ｙ ｐｉ ｃ ａ ｌ ｆ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｔｏ ｋａ ｍａ ｋ ａ ｎ ｄ ｉ ｔ ｓ ｐ ｌ ａ ｓ ｍａ ｆ ａ ｃ ｉ ｎｇ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｎ ｅ ｎ ｔ ｓ ： ｉｒ ｆ ｓ ｔ ｗａ ｌ ｌ ａ ｎ ｄ ｄ ｉ ｖ ｅ ｒ ｔ ｏ ｒ
钨在 核 聚 变 反 应 堆 中的应 用研 究
刘 凤 ， 罗广 南， 李 强 ， 王万景
（ 中国科学院 等 离子体物理研究所 ， 安徽 合肥 ２ ３ ０ ０ ３ １ ）
摘 要 ： 钨（ ｗ） 是聚变实验堆及示范（ Ｄ Ｅ Ｍ Ｏ ） 堆中面向等离子体材料 （ Ｐ Ｆ Ｍ ） 的首选。 目 前国际热核聚变试验堆
（ Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ ） 的偏滤器采用钨／ 铜结构 ； 大型托卡马克如 Ｊ Ｅ Ｔ 、 Ａ Ｓ Ｄ Ｅ Ｘ — Ｕ、 ＷＥ Ｓ Ｔ均进 行了基 于 Ｗ— Ｐ Ｆ Ｍ 的材料研 发及 应用 。 我 国己具备研制类 Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ钨／ 铜偏滤器的能力； 成功升级的 Ｅ Ａ Ｓ Ｔ上偏滤器为等离子体 的长脉冲高约束运行提供 了有 力保 障。 未来 Ｄ Ｅ ＭＯ堆的偏滤器及第一壁设计多基于 Ｗ－ Ｐ Ｆ Ｍ。 Ｗ— Ｐ Ｆ Ｍ研究必须缓解或 消除强流等离子体、 高热流
文献标 识码 ： Ａ
０ 引 言
受 控 热核 聚 变 通过 控 制 燃 料氘 一 氚 粒 子 聚 变反 应输 出能量 ， 是 极具 前景 的清 洁 安全 能量来 源 。 造福
人类 的聚变 能开 发 必须 实现 高密度 高 温等 离子 体 的 稳态 运 行 。面 向等 离子 体材 料 （ Ｐ ｌ ａ ｓ ｍａ — ｆ ａ ｃ ｉ ｎ ｇ ｍａ ｔ ｅ —
点及 钨 在 Ｄ Ｅ ＭＯ堆 中应用 的挑 战 ， 并展 望 几 类 目前
正在研 发 的新 型 聚变堆 用 钨材 料 ，希望 能对 我 国高 性能 钨基 Ｐ Ｆ ＭＣ研 制起 到 促进作 用 。
流冲击 。 等离子 体形 成 的边 界局 域模 （ Ｅ ｄ ｇ ｅ ｌ ｏ ｃ ａ ｌ ｉ ｚ ｅ ｄ
Βιβλιοθήκη Baidu
４ ２
中圈钨毋
表１ Ｉ Ｔ ＥＲ在 Ｄ — Ｔ运 行阶 段 Ｐ Ｆ Ｃ ｓ的服 役工 况
中 子 活 化 等 优 良特 性 ，是 折 衷 选 择 后 最 受 瞩 目的
Ｐ Ｆ Ｍ。本 文将 介 绍 Ｗ— Ｐ Ｆ Ｍ 在 目前 聚变 装置 中 的使
子 体材 料 ， 钨在 堆 内服役 时将 受到粒 子 、 光 和 热能 的
多重作 用 。按 照等 离子体 的运 行状 况 ， 可分 为稳态 服 役条 件 和非稳 态服 役条 件 。在等 离子体 稳态 运行 时 ，偏 滤器 靶 板钨 需经 受束 流 密度 高达 ｌ ｍ２ ／ ｓ的
第３ ２卷第 ２期
２ ０ １ ７年 ４月
Ｃｈ ｉ ｎ ａ ＂ Ｔｕ ｎ ｇ ｓ ｔ ｅ ｎ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙ
中圈钨嚣
Ｖｏ ｌ － ３ ２， Ｎｏ ． ２ Ａｐ ￣２ ０１ ７
ＤＯｈ ｌ Ｏ ． ３ ９ ６ ９ ￣ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ — ０ ６ ２ ２ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ２ ． ０ ０ ８
１ 聚 变 堆 中钨 的使 用 工 况 及 性 能要 求
在 聚 变堆 中 ，钨材 料 主要用 于 包层 第一 壁和 偏 滤 器 的面 向等 离子 体侧 （ 图１ ） … 。 作 为直 接面 向等 离
裂 时带 来 的高热 负荷 作用 。表 １ 展示 了 Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ在 Ｄ 一
收稿 日期 ： ２ ０ １ ７ — ０ ４ — ０ ５ 资助项 目： 国家磁 约束 核聚变 能发展 专项 （ ２ ０ １ ３ ＧＢ １ ０ ５ ０ ０ １ ， ２ ０ １ ５ ＧＢ １ ０ ９ ０ ０ １ ） 通讯作者 ： 罗广￣ （ １ ９ ６ ４ 一 ） ， 男， 安徽合肥人， 研究员， 主要从事 聚变材料 科学和等离子体物理实验等多学科交叉研究。
及 中子 辐 照 损 伤 问题 。 合 金 化／ 弥散 粒 子 掺杂／ 纤 维增 韧 是可 能 改变 Ｗ— Ｐ Ｆ Ｍ 热／ 力学 以及 抗 辐照 性 能 的有 效手 段 ； 智能钨 合 金 等 亦具 有 发展 前景 。
关键 词 ： 钨材料： 面向等离子体材料； 聚变堆
中图 分类 号 ： Ｔ Ｇ １ ４ ６ ． ４ ＋ ｌ １ ： Ｔ Ｌ ６ ２ ￣ ７
（ ａ ） Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ结 构ｆ 】 ； （ ｂ ） 放 大 的全 Ｗ 偏 滤 器 ［ ３ １
保证 。目前 ， 完 全满 足要 求 的 Ｐ Ｆ Ｍ 并 不存在 ； 钨（ ｗ）
具有 高 熔 点 、 高 热 导率 、 低溅射率、 低 燃 料滞 留与 低
图 １ 典型 聚变托卡 马克装置及其第一壁， 偏滤器结构
Ｄ ／ Ｔ等离 子体 辐照 ， 同时 受到 １ ０ ＭＷ／ ｍ ２ 左 右稳 态热
用现 状 、 未来聚变示范 （ Ｄ Ｅ ＭＯ ） 堆 钨 基 面 向等 离 子
体 部件 （ Ｐ ］ ａ ｓ ｍａ — ｆ ａ ｃ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｎ ｅ ｎ ｔ ｓ ， Ｐ Ｆ Ｃ ｓ ） 的 运 行 特
耐高束流低 能等离子体 （ 包括 Ｄ ￣／ Ｉ － Ｉ ｅ 粒子 ） 、 稳 态热流
（ ～１ ０ＭＷ， ｍ ２ ） 与瞬态热 冲击 （ ￣Ｇ Ｗ／ ｍ２ ） 、 高能 １ ４Ｍｅ Ｖ 聚变 中子 辐 照 的能力 是等 离子 体 高参 数稳态 运 行 的
ｍｏ ｄ ｅ ， Ｅ Ｌ Ｍｓ ） 产 生 的高 热流 也将 以稳 定 的频 率 作用 于 靶板 上 。非稳 态运 行工 况则主 要 为等离 子体 发生
垂 直位 移 （ Ｖ ｅ ｒ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｅ ｖ ｅ ｎ ｔ ｓ ， Ｖ Ｄ Ｅ ｓ ） 和 破
Ｆ ｉ ｇ ． １ Ａ ｔ ｙ ｐｉ ｃ ａ ｌ ｆ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｔｏ ｋａ ｍａ ｋ ａ ｎ ｄ ｉ ｔ ｓ ｐ ｌ ａ ｓ ｍａ ｆ ａ ｃ ｉ ｎｇ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｎ ｅ ｎ ｔ ｓ ： ｉｒ ｆ ｓ ｔ ｗａ ｌ ｌ ａ ｎ ｄ ｄ ｉ ｖ ｅ ｒ ｔ ｏ ｒ
钨在 核 聚 变 反 应 堆 中的应 用研 究
刘 凤 ， 罗广 南， 李 强 ， 王万景
（ 中国科学院 等 离子体物理研究所 ， 安徽 合肥 ２ ３ ０ ０ ３ １ ）
摘 要 ： 钨（ ｗ） 是聚变实验堆及示范（ Ｄ Ｅ Ｍ Ｏ ） 堆中面向等离子体材料 （ Ｐ Ｆ Ｍ ） 的首选。 目 前国际热核聚变试验堆
（ Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ ） 的偏滤器采用钨／ 铜结构 ； 大型托卡马克如 Ｊ Ｅ Ｔ 、 Ａ Ｓ Ｄ Ｅ Ｘ — Ｕ、 ＷＥ Ｓ Ｔ均进 行了基 于 Ｗ— Ｐ Ｆ Ｍ 的材料研 发及 应用 。 我 国己具备研制类 Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ钨／ 铜偏滤器的能力； 成功升级的 Ｅ Ａ Ｓ Ｔ上偏滤器为等离子体 的长脉冲高约束运行提供 了有 力保 障。 未来 Ｄ Ｅ ＭＯ堆的偏滤器及第一壁设计多基于 Ｗ－ Ｐ Ｆ Ｍ。 Ｗ— Ｐ Ｆ Ｍ研究必须缓解或 消除强流等离子体、 高热流
文献标 识码 ： Ａ
０ 引 言
受 控 热核 聚 变 通过 控 制 燃 料氘 一 氚 粒 子 聚 变反 应输 出能量 ， 是 极具 前景 的清 洁 安全 能量来 源 。 造福
人类 的聚变 能开 发 必须 实现 高密度 高 温等 离子 体 的 稳态 运 行 。面 向等 离子 体材 料 （ Ｐ ｌ ａ ｓ ｍａ — ｆ ａ ｃ ｉ ｎ ｇ ｍａ ｔ ｅ —
点及 钨 在 Ｄ Ｅ ＭＯ堆 中应用 的挑 战 ， 并展 望 几 类 目前
正在研 发 的新 型 聚变堆 用 钨材 料 ，希望 能对 我 国高 性能 钨基 Ｐ Ｆ ＭＣ研 制起 到 促进作 用 。
流冲击 。 等离子 体形 成 的边 界局 域模 （ Ｅ ｄ ｇ ｅ ｌ ｏ ｃ ａ ｌ ｉ ｚ ｅ ｄ
Βιβλιοθήκη Baidu
４ ２
中圈钨毋
表１ Ｉ Ｔ ＥＲ在 Ｄ — Ｔ运 行阶 段 Ｐ Ｆ Ｃ ｓ的服 役工 况
中 子 活 化 等 优 良特 性 ，是 折 衷 选 择 后 最 受 瞩 目的
Ｐ Ｆ Ｍ。本 文将 介 绍 Ｗ— Ｐ Ｆ Ｍ 在 目前 聚变 装置 中 的使
子 体材 料 ， 钨在 堆 内服役 时将 受到粒 子 、 光 和 热能 的
多重作 用 。按 照等 离子体 的运 行状 况 ， 可分 为稳态 服 役条 件 和非稳 态服 役条 件 。在等 离子体 稳态 运行 时 ，偏 滤器 靶 板钨 需经 受束 流 密度 高达 ｌ ｍ２ ／ ｓ的
第３ ２卷第 ２期
２ ０ １ ７年 ４月
Ｃｈ ｉ ｎ ａ ＂ Ｔｕ ｎ ｇ ｓ ｔ ｅ ｎ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙ
中圈钨嚣
Ｖｏ ｌ － ３ ２， Ｎｏ ． ２ Ａｐ ￣２ ０１ ７
ＤＯｈ ｌ Ｏ ． ３ ９ ６ ９ ￣ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ — ０ ６ ２ ２ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ２ ． ０ ０ ８
１ 聚 变 堆 中钨 的使 用 工 况 及 性 能要 求
在 聚 变堆 中 ，钨材 料 主要用 于 包层 第一 壁和 偏 滤 器 的面 向等 离子 体侧 （ 图１ ） … 。 作 为直 接面 向等 离
裂 时带 来 的高热 负荷 作用 。表 １ 展示 了 Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ在 Ｄ 一
收稿 日期 ： ２ ０ １ ７ — ０ ４ — ０ ５ 资助项 目： 国家磁 约束 核聚变 能发展 专项 （ ２ ０ １ ３ ＧＢ １ ０ ５ ０ ０ １ ， ２ ０ １ ５ ＧＢ １ ０ ９ ０ ０ １ ） 通讯作者 ： 罗广￣ （ １ ９ ６ ４ 一 ） ， 男， 安徽合肥人， 研究员， 主要从事 聚变材料 科学和等离子体物理实验等多学科交叉研究。
及 中子 辐 照 损 伤 问题 。 合 金 化／ 弥散 粒 子 掺杂／ 纤 维增 韧 是可 能 改变 Ｗ— Ｐ Ｆ Ｍ 热／ 力学 以及 抗 辐照 性 能 的有 效手 段 ； 智能钨 合 金 等 亦具 有 发展 前景 。
关键 词 ： 钨材料： 面向等离子体材料； 聚变堆
中图 分类 号 ： Ｔ Ｇ １ ４ ６ ． ４ ＋ ｌ １ ： Ｔ Ｌ ６ ２ ￣ ７
（ ａ ） Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ结 构ｆ 】 ； （ ｂ ） 放 大 的全 Ｗ 偏 滤 器 ［ ３ １
保证 。目前 ， 完 全满 足要 求 的 Ｐ Ｆ Ｍ 并 不存在 ； 钨（ ｗ）
具有 高 熔 点 、 高 热 导率 、 低溅射率、 低 燃 料滞 留与 低
图 １ 典型 聚变托卡 马克装置及其第一壁， 偏滤器结构
Ｄ ／ Ｔ等离 子体 辐照 ， 同时 受到 １ ０ ＭＷ／ ｍ ２ 左 右稳 态热
用现 状 、 未来聚变示范 （ Ｄ Ｅ ＭＯ ） 堆 钨 基 面 向等 离 子
体 部件 （ Ｐ ］ ａ ｓ ｍａ — ｆ ａ ｃ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｎ ｅ ｎ ｔ ｓ ， Ｐ Ｆ Ｃ ｓ ） 的 运 行 特