第六章 聚变堆材料

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聚变堆材料
磁约束聚变堆工作原理
氚 循 环 线圈 屏蔽 包层
等 离 子 体
偏滤器
电 循 环
中 子
热 交 换 器
发 电 或 供 热
辐射热
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
• 包容等离子体
产生聚变中子 (14MeV) 堆芯 等离子体
~109℃
增 殖 包 层
102℃
核 辐 射 屏 蔽 层
热 辐 射 屏 蔽 层
(液氮) ~ -200℃ (80k)
超 导 磁 体
生 物 屏 蔽
~ -269℃(4k)
高温-低温、高压-高真空、强电流-强磁场、中子辐射
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 冷却剂
• 面向等离子体部件及材料
– 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
– 绝缘 – 绝热 – 降低MHD压降
固态氚增殖剂材料特性
固态氚增殖剂主要包括Li4SiO4, Li2Ti2O3, Li2ZrO3, LiAlO2和Li2O等。 由于受到Li的原子比以及填充率的限制,固态包层的氚增殖率普遍不 高,为了达到合适的氚增殖率,需要在包层中布置可以提高中子产额 的中子倍增剂,如Be等。 固态陶瓷氚增殖剂和中子倍增剂Be在中子辐照和高温条件下,其热 物理性能和机械性能会大大降低,因此对它们的使用温度有一定的限 制,其允许使用的温度上限分别为900C和650C。 早期的增殖剂设计有棒状、板状和小球形式。经过长期的研究和发展, 球床形式的氚增殖剂以及中子倍增剂已经成为了首选,便于氚提取和 滞留量的控制。

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
– 大量高能中子(14MeV)
• 离位损伤
– 裂变堆1~2MeV相比有很大不同
结构材料发展综合评价
e.g.2-Phase Li+W Alloy
风 险 性 、 吸 引 力
RAFM 钢 V合金 SiCf/Si C
成 熟 度 、 可 行 性
Measure of Attractiveness
Self-cooled Pb-17Li He-cooled CB Self-cooled Li Self-Cooled LM+Insert He-Cooled Water- CB Cooled CB or LM
– 钒合金
• 使用温度700℃
– SiCf/SiC复合材料
• 使用温度1000℃
结构材料特性—RAFM钢
RAFM在日本以及欧洲的研究开展较早,工业基础以及技术已比较成熟, 中国的RAFM(CLAM)钢研究到目前也已经取得了较大的进展。
特点及优点: – RAFM钢的机械性能及热物理性能较好 – 中子活化水平较低 – 具有低的塑脆转换温度(DBTT)和良好的抗辐照损伤能力 – 与液态金属相容性较好 – 较好的抗辐照蠕变与抗疲劳的能力 – 具有很强的现实可行性,而且成本相对较低 关键问题: – 但其在辐照条件下的脆性问题以及磁渗透问题需要解决,而且在高 温条件下的机械性能需要进一步提高(550C)。
使用寿命短 有毒性,需安全措施 尘埃易爆
与铜热沉连接时的热膨胀时 失配较大
尘埃易爆
碳材料
碳材料是一种已长期使用的低Z面向等离子体材料,它具有极好的抗 热冲击能力并且与等离子体有良好的相容性。 作为面向等离子体材料,高性能的石墨和C/C复合材料经受住了聚变 实验装置实际运行的考验,并且证明了这些材料的可行性。
物理溅射域值高,没有化学 腐蚀(H+)
高熔点 低的氚储存和肿胀 中子辐照后发脆 高的辐射性 高Z(等离子体中可容许浓 度低) 在大的聚变装置中缺乏大量 使用数据 差的加工性
低熔点
氚储存量大
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 与铜热沉连接时的热膨胀时失配较大 尘埃易爆
缺 点
– 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
一、结构材料
• 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。
但它在400~800℃之间具有较高的化学溅射率,这不仅侵蚀了碳材料
本身,而且将大量碳原子引入等离子体,使等离子体品质下降。 在这些应用中, 发现一般的纯碳石墨材料存在一些缺点:氚存贮量高、
化学溅射和辐射增强升华损失大以及机械强度较低等。
为克服碳石墨材料这些缺点,美、英、日等国在碳石墨材料的改性研 究方面开展了大量的工作,主要采用陶瓷粒子均质弥散法、新型碳/陶
– 石墨性能改进方法:掺杂石墨(提高抗氧化能力)
·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。
复合材料等方法。
举例:石墨
– 最初使用的碳基材料 高纯石墨 – 现在仍然在Takomak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。
• SiCf/SiC复合wk.baidu.com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
四、冷却剂材料
在目前的包层设计中冷却剂主要包括三类,氦气、水以及液 态金属(包括熔盐)。 固态包层的冷却剂主要是氦气和水,而液态包层除了可以用 氦气和水之外,氚增殖剂本身也可以通过自身的流动将热量 带出,起到冷却剂的功能。 固态增殖剂包层由于只有一种冷却剂,因此只能选择单冷模 式。而液态包层则可以选择单冷、双冷或液态金属自冷三种 冷却方式。
DCLL包层:
DFLL DLL、HTL包层:
RAFM作结构材料
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
面向等离子体材料(PFM)功能
在核聚变堆中,面向等离子体材料是一个非常重要的材料 ,它关系到反应堆中等离子体的稳定性、第一壁结构材料 和元件免受等离子体轰击损伤等问题。 主要功能: 1、有效的控制进入等离子体的杂质 2、有效地传递辐射到材料表面的热量 3、保护非正常停堆时其他部件受等离子体轰击而损坏
Be
相对较高热导值 高热导率
CBM
可原位修复 高热导
W
与等离子体的相容性(低Z) 低Z 值(积累了大量经验) 无化学溅射 可原位修复 强的吸氧能力 低活性 耐中子辐照能力低 800℃以上耐氧化性差 辐照增强升华 低的抗氧化性
优 点
优良的热冲击性(特别是CFC 材料) 可承受高热应力 低破裂腐蚀率 作为高热通量部件可以用作限制 器及偏滤器材料
结构材料特性
--更先进材料
难熔合金和碳化硅复合材料在耐高温以及抗辐照方面有明显的优势,是 未来先进包层设计的主要候选材料.
但其发展时间较短,工业基础薄弱,加工工艺相对较难,而且价格昂贵, 限制了它们在早期聚变堆中的应用,但随着技术的发展,先进材料必将 在聚变堆中扮演重要的角色。 从包层结构材料的发展趋势上看,RAFM钢最有可能率先获得应用,V 合金其次,最后才是SiCf/SiC和W合金。
– 优点
• 危险性低(无Li反应) • 无磁流体动力学效应(MHD)
液态氚增殖剂材料特性
液态增殖剂主要包括液态金属锂Li、液态锂铅共晶体LiPb、熔盐Flibe等 由于液态氚增殖剂中Li的原子比较高,单位体积内的Li的原子数较多, 因此可以达到较高的氚增殖率。 而对LiPb和FliBe来说,其内部含有的Pb和Be本身就是良好的中子增 殖剂,因此一般情况下液态包层中不需要单独使用中子倍增材料。 液态金属没有中子辐照损伤和热机械性能方面限制,在结构材料温度 允许的条件下其运行温度可以达到很高。
– 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)、 偏硅酸锂 (Li4SiO4)、钛酸锂(Li3TiO3)等;
• 损伤能量高于裂变电站包壳材料能量的104倍
• 嬗变反应
– 核反应的几率增大, 如(n, α), (n,p), (n,γ), (n,2n)等,生产新的原子核;
合金化, 如Nb使用20年,铌材中产生13.5%的Zr,9.5%Mo。
• 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 ( 1appm=1×106表示原子比; dpa表示每个原子的离位次数)
• 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。
• 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。
面向等离子体材料(PFM)
低Z材料
– 材料
Others?
SiCf/SiC
V-alloy
RAFMs
Development Risk
二、氚增殖材料
3-D Design for Tokamak(ITER)
6 3
Li n慢 T+4 He 4.8MeV
7 3
Li n快 T 4 He 2.5MeV n慢
氚增殖材料分类 • 液态增殖剂
氦冷方案: HCPB包层: HCSB包层: HCLL包层:
按冷却剂的种类分类
Li陶瓷
LiPb液态合金
熔盐Li
DFLL SLL包层:
RAFM作结构材料
HCML包层:
水冷TBM:
WCLL包层:水压~15MPa, 325 ℃ 液态锂冷包层: Li-V包层:压力~1MPa, 550 ℃ 液态锂铅/氦气双冷包层: LLCB包层: V合金作结构材料
• 石墨,碳纤维增强碳纤维复合材料(CFC), 硼(B),锂(Li),铍(Be)等
– 特点
• 中心等离子体容许浓度高 • 低溅射阈能 • 充足的运行经验
PFM材料
高Z材料
– 材料
• W及其合金 • Mo及其合金
– 特点
• 中心等离子体容许浓度低 • 高溅射阈能 • 运行经验有限
面向等离子体材料的侯选材料
结构材料要求及目前材料选择
基本要求:
– 耐14MeV中子辐照(抗辐照) – 低活化
材料选择:
– 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
– 低活化铁素体马氏体钢(RAFM)
• 使用温度约550℃
因而,对PFC材料的总体要求是:
耐高温、低溅射、低氢滞留、与结构材料的兼容等
等离子体与材料表面相互作用
• 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
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
• 对涂层要求
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