聚变堆面向等离子体钨基材料的研究进展_黄波.pdf

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1、第33卷增刊2核动力工程Vol.33.S22012年12月NuclearPowerEngineeringDec.2012文章编号：0258-0926(2012)S2-0101-06聚变堆面向等离子体钨基材料的研究进展1111112黄波，杨吉军，唐军，刘宁，舒晓燕，苗发明，唐睿1.四川大学原子核科学技术研究所，成都，610064；2.中国核动力研究设计院反应堆燃料与材料重点实验室，成都，610041摘要：聚变堆面向等离子体材料问题是聚变能商业化应用亟待解决的关键工程问题之一。为应对纯钨材料作为等离子体材料在力学、热学及抗辐照损伤等方面的性能不足，通过添加其它组元形成的钨合金及复合材

2、料成为了近年来聚变堆材料领域尤为关注的研究热点。本文对目前钨基面向等离子体材料的研究进展进行了综述，简要评述其堆服役性能及强化机理，并在此基础上展望该材料未来的研究发展趋势。关键词：聚变堆；面向等离子体材料；钨基材料+中图分类号：TL62.7文献标志码：A1引言在聚变高温等离子体辐照作用下，W会出现辐照核聚变能被公认是能有效解决人类社会未来脆化、表面形成纳米疏松层、氢同位素滞留量急[5]能源问题与环境问题的主要途径之一。自上世纪剧攀升等现象。80年代确立国际热核实验堆（ITER）计划，并在W基合金与复合材料可有效规避纯W材料的本世纪初期完成ITER概念设计，聚变能开发已经性能缺陷

3、。近年来，大量研究者开始致力于研究从基础研究阶段步入工程可行性阶段。（非）金属单质、化合物，以及多组元复合掺杂面向等离子体材料（PFM）问题是聚变能应的W基合金材料，尤其是针对聚变堆的PFM尤为用能否成功的关键工程问题之一。PFM将作为直关注的高温力学、氢同位素滞留、热学以及抗辐接面对高温等离子体的盔甲材料，遭受着高温、表1典型的钨基面向等离子体材料高热负荷、强束流粒子与中子辐照等的协同组合Table1TypicalW-BasedPFMs作用[1]。传统上，碳（C）、铍（Be）、钨（W）掺杂组元钨基材料体系硼（B）硼化钨被遴选为3种主要的PFM候选材料。但是，C具炭（金刚石）/C

4、(Diamond)金刚石-钨复合材料有高溅射刻蚀率、与氚共沉积滞留及中子辐照脆钾（K）多孔钨化等缺点，而Be存在低熔点、高溅射刻蚀率与毒铜（Cu）钨铜合金性等不足，从而使上述两种材料的应用受到极大钽（Ta）钨钽合金铼（Re）钨铼合金限制。相比而言，W具有高熔点、低溅射产额、钒（V）钨钒重合金良好的热导率与高温强度，以及不易与氢形成混镧（La）钨镧合金合物或发生共沉积等优点，被认为是未来聚变堆钇（Y）钨合金[2]镍（Ni）钨镍合金PFM的首选材料体系。国外的ASDEXUpgrade硅（Si）自钝化钨合金[3]托卡马克装置业已实现了全W的PFM，国内合碳化钛（TiC）碳化钛弥散强化钨

5、合金肥等离子体物理研究所也计划未来几年将EAST碳化锆（ZrC）碳化锆弥散强化钨合金中偏滤器PFM实现全W化[4]。但现有的纯W材料氧化钇（Y2O3）氧化钇弥散强化钨合金氧化镧（La2O3）氧化镧弥散强化钨合金还存在若干性能缺陷，如过高的韧脆转变温度钒/钛+氧化钇/氧化镧弥散强化钨基重合金（DBTT）可达400℃、较低的再结晶温度（RCT）（Ti/V+Y2O3/La2O3）铬/锆/钇+硅（Cr/Zr/Y+Si）自钝化钨合金为1200℃和高能辐照下陡增的自溅射率，尤其是收稿日期：2012-10-25；修回日期：2012-11-25基金项目：ITER973项目（2011CB10800

6、5）；国家自然科学基金（51101108）；教育部新世纪人才计划（NCET-10-0571）102核动力工程Vol.33.S2.2012照损伤等性能开展了大量工作。表1列出了当前在似的W-V梯度功能复合材料，并通过数值模拟证研或拟开发的典型PFM钨基合金材料。本文在总明W-V复合材料可以很好地解决PFM与毗邻结构[12]结以往研究工作的基础上，依据添加组元的材料部件之间的界面结合问题。随后，Wurster等特性对各种W基材料概括分类，简要评述其服役研究了W-V复合材料的断裂行为，并与W-Ta复合性能及潜在的强化机理，并特别提到近年来受关材料做了对比。W-V比W-Ta复合材料的热稳

7、定性注的W基纳米材料，最后展望未来PFM钨基合金略差，并且在超过1500℃时发生了（W,Ta）、材料的研究发展趋势。（W,V）的相互扩散；裂纹扩展垂直于晶粒连结方向的断裂韧性非常高，而沿着晶粒连结方向，2单质元素掺杂钨基材料材料的断裂韧性却非常低。Zhou等[13]用微波烧结用于W基材料的金属元素包括K、Cu、Ta、的方法，分别添加Fe、Cr和Ni作为烧结激活剂，Ti、V、La、Re、Y等，而非金属元素主要是金刚制备出了3种W基合金。与添加Fe和Cr相比，添加石、B等。通过添加上