聚变堆材料体系及特点

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1、聚变堆材料体系及特点磁约束聚变堆工作原理氚线圈电循循环屏蔽环包层中发子热电等交离或子换供体器热辐射热偏滤器氘、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•包容等离子体热超生核辐物导辐射屏磁射屏蔽增体产生聚变中子屏蔽殖蔽层（14MeV)包层层堆芯等离子体（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

2、设计与测量、辐射防护）•热与低温物理（热能、制冷、流体）•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–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–

3、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•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–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

4、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。•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

5、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℃•钒合金–使用温度700℃•SiC/SiC复合材料f–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）钒合金•优点：–活

6、化水平低–运行温度高（700℃）–辐照肿胀低–与Li有很好的相容性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SiC/SiC复合材料f•优点–高强度Thermalconductivity(W/mK)~20–低活化水平–耐高温（1000℃）热效率高Therm.expans.coeff.(10-6K-1)~4•发展不成熟Electricalconductivity(1/

7、m)~500–大型部件制造–密封连接技术Porosity~5%–辐照肿胀与辐照蠕变Young’smodulus(GPa)~300–辐照引起的热导率下降•SiC/SiC作为结构材料的发展目标tensilestrength/Sm(MPa)~300f–高温热导率Max.operationtemp.(oC)1000–低电导率–高温下与LiPb相容性好SiC/SiC复合材料典型目标值f–抗中子辐照结构材料发展综合评价e.g.2-PhaseLi+WAlloyssSelf-cooledOthers?风RAFM钢

8、成enPb-17Lie险熟vHe-cooled性度ticCBSiCf/SiCra、、ttV合金ASelf-cooledf吸可oLireSelf-CooledV-alloy引行usLM+Inserta力SiCf/SiC性eHe-CooledMWater-CBCooledRAFMsCBorLMDevelopmentRisk二、氚增殖材料3-DDesignforTokamak（ITER）634LinTHe4.79MeV734DualFunctionalLithium