核聚變反應堆材料ppt課件.ppt

1、第八講 核聚變反應堆材料,楊 亮,1,熱核聚變反應堆模型,2,核聚變反應堆是能維持核聚變反應并能利用 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,3,核聚變堆設計和工況條件,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，應具有抗中子輻照損傷能力，對氫脆和氦脆不敏感，與冷卻介質和包層材料相容性好。 B 真空壁材料的設計限值，包括使用溫度、熱導率、熱膨脹系數(shù)、強度、彈性模量等上限要求。 C 比起裂變反應堆，聚變反應堆具有特有的材料工藝問題：超導磁體及低溫技術，強磁場下

2、導電液體的泵送技術，14MeV中子的輻照損傷、氦離子轟擊和濺射起泡現(xiàn)象等。,4,1 氘：氫的一種同位素，質量數(shù)為2，又稱重氫，核素符號為D或2H 。利用D和H的沸點不同，可通過普通液態(tài)氫的精餾過程進行分離。D作為聚變反應堆核燃料使用時，下列兩個反應最重要,熱核材料,5,2 氚：氫的另一種同位素，質量數(shù)為3，核素符號為T或3H。一般通過如下核反應制備： 利用D和H的沸點不同，一般采用液氫（氘）精餾、熱擴散和色層分離等方法提純，作為核燃料，其聚變反應為：,6,3 3He，氦的一種同位素，質量數(shù)為3。一般通過如下核反應制備： 作為核燃料，其聚變反應為：,7,第一壁材料,第一壁材料介于等離子體和結構材

3、料之間，一般是二者的過渡和緩沖，如果受中子強烈輻照，可對核燃料產生如下不良效果： A 密度變化（腫脹和密實化） B 硬化和脆化 C 熱導率下降 D 對應力腐蝕的敏感性增強 E 蠕變加速,8,1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。但屈服強度較低，抗輻照腫脹性較差?？赏ㄟ^20%冷加工增強其強度和抗輻照腫脹能力，同時降低鉻含量，增加鎳含量，并加入微量鈦可對其進行性能優(yōu)化。,第一壁材料,9,2 鐵素體和馬氏體不銹鋼，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相容性好。但對熱機械處理十分敏感，

4、退火溫度和時間的變化對其性能影響較大，且焊接工藝要求較為苛刻。,10,3 釩合金，具有優(yōu)良的高溫力學性能、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)生產經(jīng)驗和性能數(shù)據(jù)較為貧乏，目前通常在惰性保護氣體或真空環(huán)境中進行該合金的焊接工作。,11,2 高鈾密度鋁基彌散燃料，一般為U3SiAl表示，可增強顆粒與Al基體的相容性。其中U3Si可實現(xiàn)钚在輕水堆中再循環(huán)，提高鈾資源的利用率。通過共磨或共轉換方法得到粉末，再壓制成型，燒結成芯塊。其優(yōu)缺點與二氧化鈾類似。,4 SiC/SiC復合材料，具有優(yōu)良的高溫性能。在氦冷卻介質系統(tǒng)中

5、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、維護和放射性處理方面具有更大的優(yōu)勢。 影響SiC/SiC復合材料性能的關鍵環(huán)節(jié)是在結合基體材料之前沉積在纖維預型上的纖維和基體間的界面層，一般用碳。復合材料的首選工藝是化學氣相滲入法（CVI）。 中子輻照對其熱導率的影響與輻照溫度密切相關，即輻照溫度越低，則熱導率下降越多。,12,高熱流部件材料：指孔欄和偏濾器中承受高熱負荷的部件。其中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，使其遠離第一壁而撞擊在偏濾器的收集板上。 高熱流部件結構材料必須承受高于第一壁表面一個量級的熱負荷。偏濾器會受

6、強中子場輻照，應具有高導熱率、低膨脹系數(shù)、高屈服強度、高塑性、抗氫脆、抗輻照脆化和腫脹、耐冷卻介質腐蝕、易加工和焊接性等。,13,1 銅合金，目前設計第一壁和偏濾器中可同時使用銅合金?？上⒌入x子體破裂時產生的局部過熱作用。銅合金具有良好的導熱效率，但是易受因素影響而變弱： A 輻照缺陷組分在低溫輻照達到飽和值，相當與熱導率降低 B 沉淀或氧化物粒子由于高能離位級聯(lián)沖擊而溶解 C 嬗變產物（Ni、Zr和Co等）的積累,14,2 鉬合金，具有熔點高、高溫強度高、高熱膨脹系數(shù)、濺射產額低等優(yōu)點。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、鉬錸合金等產品。 鉬合金的發(fā)展目標是抑制再結

7、晶脆性和輻照脆性。如加入TiC，可顯著增加再結晶溫度和減輕輻照損傷的作用，其機制是通過較細的TiC粒子組織鉬合金的晶界移動，且TiC和鉬基體間的界面對輻照引起的缺陷起到尾閭作用。,15,3 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所產生，如被鈮合金吸收可發(fā)生氫脆。一般通過添加Zr、Ti加以克服。 碳、氧等雜質的存在對鈮合金的力學性能有影響。 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。,16,面向等離子材料：是一種保護第一壁、孔欄和偏濾器部

8、件結構材料，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，如碳和鈹。,17,1 碳纖維復合材料，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性能。不過對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率。 其優(yōu)化：可進行Si摻雜，如抗氧化性可提高幾倍，放氣總量也要低上12個量級，化學濺射量少一半左右,18,2 鈹，其原子序數(shù)比碳還低，對氧的親和力高，與氫無相互作用，低感生活性和高中子倍

9、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，物理濺射產額高，具有一定毒性等缺點。 一般鑄造鈹力學性能很差，多采用冷加工（軋制、擠壓），但容易產生織構（即沿形變方向有高強度塑性表現(xiàn)）。鈹產品的熱、機械和輻照行為與雜質水平有關。 氚在鈹中的積累有兩個來源：a 嬗變產生的氚；b等離子中注入的氚,19,3 鎢與鎢合金，鎢是熔點最高的金屬，蒸氣壓最低，熱導性好，高溫強度高，不與氫反應，不與氚共沉積，是良好的高熱流密度部件的保護材料。其缺點是具有再結晶脆性和輻照脆性，其能量較高時，自濺射系數(shù)大。 一般通過粉末冶金燒結方式制備?？赏ㄟ^摻入微量（1%）的La2O3獲得彌散強化效果，再通過

10、熱機械處理使其結構均勻化，可阻止再結晶,20,氚增殖材料：氚增殖材料可與結構材料、冷卻介質及其他材料一起構成聚變堆的包層，從而產生氚，并將聚變能轉變?yōu)闊崮懿⒂衫鋮s劑帶走。 具有三個功能：a 將聚變能轉變?yōu)橛杏玫臒岵鹘o冷卻劑；b 生產氚燃料；c提供對人員和敏感部件的核防護，即要求其鋰密度高，熱中子吸收截面小。,21,1 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：氚回收容易將其直接引到包層外，不存在輻照損傷、高熱導率等。 自冷卻的液態(tài)金屬包層的導管和焊縫少，可避免氚滲透和液態(tài)金屬/水反應，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，將鋰鹽（如氫氧化物、硝酸鹽、硫酸鹽等）溶于水，可增大氚的增殖比。,22,2 陶瓷增殖材料，具