第八講 核聚變反應(yīng)堆材料

1、第八講第八講 核聚變反應(yīng)堆材料核聚變反應(yīng)堆材料楊 亮南京航空航天大學(xué)熱核聚變反應(yīng)堆模型熱核聚變反應(yīng)堆模型核聚變反應(yīng)堆是能維持核聚變反應(yīng)并能利用核聚變和中子的裝置，本章節(jié)主要介紹聚變堆各部件選用材料的基本情況。所用的材料主要包括：A 熱核材料；B 第一壁材料；C 高熱流部件材料；D 氚增殖材料核聚變堆設(shè)計(jì)和工況條件核聚變堆設(shè)計(jì)和工況條件A 第一壁環(huán)境條件，第一壁是聚變堆中離等離子體最近的部件，應(yīng)具有抗中子輻照損傷能力，對(duì)氫脆和氦脆不敏感，與冷卻介質(zhì)和包層材料相容性好。B 真空壁材料的設(shè)計(jì)限值，包括使用溫度、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、強(qiáng)度、彈性模量等上限要求。C 比起裂變反應(yīng)堆，聚變反應(yīng)堆具有特有的材料

2、工藝問題：超導(dǎo)磁體及低溫技術(shù)，強(qiáng)磁場下導(dǎo)電液體的泵送技術(shù)，14MeV中子的輻照損傷、氦離子轟擊和濺射起泡現(xiàn)象等。1 氘：氫的一種同位素，質(zhì)量數(shù)為2，又稱重氫，核素符號(hào)為D或2H 。利用D和H的沸點(diǎn)不同，可通過普通液態(tài)氫的精餾過程進(jìn)行分離。D作為聚變反應(yīng)堆核燃料使用時(shí)，下列兩個(gè)反應(yīng)最重要熱核材料333.274.04DDHenMeVDDTpMeV2 氚：氫的另一種同位素，質(zhì)量數(shù)為3，核素符號(hào)為T或3H。一般通過如下核反應(yīng)制備：利用D和H的沸點(diǎn)不同，一般采用液氫（氘）精餾、熱擴(kuò)散和色層分離等方法提純，作為核燃料，其聚變反應(yīng)為：634LinHHe417.6DTHenMeV 3 3He，氦的一種同位素，

3、質(zhì)量數(shù)為3。一般通過如下核反應(yīng)制備： 作為核燃料，其聚變反應(yīng)為：33HHe3418.3DHeHepMeV第一壁材料第一壁材料第一壁材料介于等離子體和結(jié)構(gòu)材料之間，一般是二者的過渡和緩沖，如果受中子強(qiáng)烈輻照，可對(duì)核燃料產(chǎn)生如下不良效果：A 密度變化（腫脹和密實(shí)化）B 硬化和脆化C 熱導(dǎo)率下降D 對(duì)應(yīng)力腐蝕的敏感性增強(qiáng)E 蠕變加速1奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼。該材料具有良好的加工、焊接性能，與氦冷卻劑和陶瓷增殖材料相容性好。但屈服強(qiáng)度較低，抗輻照腫脹性較差?？赏ㄟ^20%冷加工增強(qiáng)其強(qiáng)度和抗輻照腫脹能力，同時(shí)降低鉻含量，增加鎳含量，并加入微量鈦可對(duì)其進(jìn)行性能優(yōu)化。第一壁材料第一壁材料 2 鐵素體和馬氏

4、體不銹鋼，與奧氏體不銹鋼相比，抗輻照腫脹性好，具有更高的熱應(yīng)力因子和更好的液態(tài)金屬腐蝕行為，與候選冷卻劑及氚增殖劑的化學(xué)相容性好。但對(duì)熱機(jī)械處理十分敏感，退火溫度和時(shí)間的變化對(duì)其性能影響較大，且焊接工藝要求較為苛刻。 3 釩合金，具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能、抗腐蝕腫脹性能和低中子活化特性，與高純氦相容性好，一般需要在合金表面覆鍍一層絕緣性膜。不過存在氫脆現(xiàn)象，且釩合金的工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和性能數(shù)據(jù)較為貧乏，目前通常在惰性保護(hù)氣體或真空環(huán)境中進(jìn)行該合金的焊接工作。2 高鈾密度鋁基彌散燃料，一般為U3SiAl表示，可增強(qiáng)顆粒與Al基體的相容性。其中U3Si可實(shí)現(xiàn)钚在輕水堆中再循環(huán)，提高鈾資源的利用率。通過共

5、磨或共轉(zhuǎn)換方法得到粉末，再壓制成型，燒結(jié)成芯塊。其優(yōu)缺點(diǎn)與二氧化鈾類似。 4 SiC/SiCSiC/SiC復(fù)合材料復(fù)合材料，具有優(yōu)良的高溫性能。在氦冷卻介質(zhì)系統(tǒng)中可工作到800攝氏度，可大大提高能源系統(tǒng)的熱效率。它比金屬類材料在安全、維護(hù)和放射性處理方面具有更大的優(yōu)勢。 影響SiC/SiCSiC/SiC復(fù)合材料復(fù)合材料性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是在結(jié)合基體材料之前沉積在纖維預(yù)型上的纖維和基體間的界面層，一般用碳。復(fù)合材料的首選工藝是化學(xué)氣相滲入法（CVI）。 中子輻照對(duì)其熱導(dǎo)率的影響與輻照溫度密切相關(guān)，即輻照溫度越低，則熱導(dǎo)率下降越多。高熱流部件材料高熱流部件材料：指孔欄和偏濾器中承受高熱負(fù)荷的部件。其中

6、孔欄介于第一壁和等離子體之間；偏濾器通過干擾約束磁場，控制逃逸的燃料離子和雜質(zhì)，使其遠(yuǎn)離第一壁而撞擊在偏濾器的收集板上。高熱流部件結(jié)構(gòu)材料必須承受高于第一壁表面一個(gè)量級(jí)的熱負(fù)荷。偏濾器會(huì)受強(qiáng)中子場輻照，應(yīng)具有高導(dǎo)熱率、低膨脹系數(shù)、高屈服強(qiáng)度、高塑性、抗氫脆、抗輻照脆化和腫脹、耐冷卻介質(zhì)腐蝕、易加工和焊接性等。 1 銅合金，目前設(shè)計(jì)第一壁和偏濾器中可同時(shí)使用銅合金?？上⒌入x子體破裂時(shí)產(chǎn)生的局部過熱作用。銅合金具有良好的導(dǎo)熱效率，但是易受因素影響而變?nèi)酰?A 輻照缺陷組分在低溫輻照達(dá)到飽和值，相當(dāng)與熱導(dǎo)率降低 B 沉淀或氧化物粒子由于高能離位級(jí)聯(lián)沖擊而溶解 C 嬗變產(chǎn)物（Ni、Zr和Co等）的積

7、累 2 鉬合金，具有熔點(diǎn)高、高溫強(qiáng)度高、高熱膨脹系數(shù)、濺射產(chǎn)額低等優(yōu)點(diǎn)。且高溫下抗晶粒長大，穩(wěn)定性較好，但延展性小。目前有鉬鈦合金、鉬錸合金等產(chǎn)品。 鉬合金的發(fā)展目標(biāo)是抑制再結(jié)晶脆性和輻照脆性。如加入TiC，可顯著增加再結(jié)晶溫度和減輕輻照損傷的作用，其機(jī)制是通過較細(xì)的TiC粒子組織鉬合金的晶界移動(dòng)，且TiC和鉬基體間的界面對(duì)輻照引起的缺陷起到尾閭作用。 3 鈮合金鈮合金，除了存在與氫相互作用的問題，其他性能均比鉬合金優(yōu)越，如在惰性氣氛中較易焊接，抗輻照脆化性好。 氫可由鈮合金在水冷卻劑中的腐蝕、等離子體中各種氫同位素的注入或溶解以及核嬗變反應(yīng)所產(chǎn)生，如被鈮合金吸收可發(fā)生氫脆。一般通過添加Zr、

8、Ti加以克服。 碳、氧等雜質(zhì)的存在對(duì)鈮合金的力學(xué)性能有影響。 目前，鈮鋯合金是聚變堆經(jīng)受持續(xù)高溫部件中有潛力的候選材料。面向等離子材料面向等離子材料：是一種保護(hù)第一壁、孔欄和偏濾器部件結(jié)構(gòu)材料，使其免受等離子體逃逸粒子的濺射作用。其具體要求為：具有低濺射速率、高熱沖擊抗力、高熱負(fù)荷能力、低氚存留量、低活化放射性和低衰敗余熱，一般要求為低原子序數(shù)的材料，如碳碳和鈹鈹。 1 碳纖維復(fù)合材料，碳基材料因原子序數(shù)低而與等離子體有良好的相容性，具有極好的抗熱沖擊能力。不易高溫下熔化，在高熱流密度下有良好的熱力學(xué)性能。不過對(duì)氚的滯留行為有不利的影響，可能與氚共沉積。中子輻照也可減小碳基材料的熱導(dǎo)率。 其優(yōu)

9、化：可進(jìn)行Si摻雜，如抗氧化性可提高幾倍，放氣總量也要低上12個(gè)量級(jí)，化學(xué)濺射量少一半左右 2 鈹，其原子序數(shù)比碳還低，對(duì)氧的親和力高，與氫無相互作用，低感生活性和高中子倍增能力，可作為很好的面向等離子材料。不過存在熔化溫度低，蒸氣壓高，物理濺射產(chǎn)額高，具有一定毒性等缺點(diǎn)。 一般鑄造鈹力學(xué)性能很差，多采用冷加工（軋制、擠壓），但容易產(chǎn)生織構(gòu)（即沿形變方向有高強(qiáng)度塑性表現(xiàn)）。鈹產(chǎn)品的熱、機(jī)械和輻照行為與雜質(zhì)水平有關(guān)。 氚在鈹中的積累有兩個(gè)來源：a 嬗變產(chǎn)生的氚；b等離子中注入的氚 3 鎢與鎢合金鎢與鎢合金，鎢是熔點(diǎn)最高的金屬，蒸氣壓最低，熱導(dǎo)性好，高溫強(qiáng)度高，不與氫反應(yīng)，不與氚共沉積，是良好的高

10、熱流密度部件的保護(hù)材料。其缺點(diǎn)是具有再結(jié)晶脆性和輻照脆性，其能量較高時(shí)，自濺射系數(shù)大。 一般通過粉末冶金燒結(jié)方式制備?？赏ㄟ^摻入微量（1%）的La2O3獲得彌散強(qiáng)化效果，再通過熱機(jī)械處理使其結(jié)構(gòu)均勻化，可阻止再結(jié)晶 氚增殖材料氚增殖材料：氚增殖材料可與結(jié)構(gòu)材料、冷卻介質(zhì)及其他材料一起構(gòu)成聚變堆的包層，從而產(chǎn)生氚，并將聚變能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮懿⒂衫鋮s劑帶走。具有三個(gè)功能：a 將聚變能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫臒岵鹘o冷卻劑；b 生產(chǎn)氚燃料；c提供對(duì)人員和敏感部件的核防護(hù)，即要求其鋰密度高，熱中子吸收截面小。1 液態(tài)增殖材料：主要有液態(tài)鋰、共晶鋰-鉛合金（Pb17Li）、Flibe（LiF-BeF2熔鹽混合物）和鋰鹽水溶液。具有如下優(yōu)點(diǎn)：氚回收容易將其直接引到包層外，不存在輻照損傷、高熱導(dǎo)率等。自冷卻的液態(tài)金屬包層的導(dǎo)管和焊縫少，可避免氚滲透和液態(tài)金屬/水反應(yīng)，并含有較多增殖材料，可獲得較高的氚增殖比。目前比較前沿的是