核聚變反應(yīng)堆材料課件ppt

1、核聚變反應(yīng)堆材料熱核聚變反應(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(yīng)堆，聚變反應(yīng)堆具有特有的材料工藝問題：超導磁體及低溫技術(shù)，強磁場下導電液體的泵送技術(shù)，14MeV中子的輻照損傷、氦離子轟

2、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(yīng)堆核燃料使用時，下列兩個反應(yīng)最重要熱核材料2 氚：氫的另一種同位素，質(zhì)量數(shù)為3，核素符號為T或3H。一般通過如下核反應(yīng)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(yīng)為：D作為聚變反應(yīng)堆核燃料使用時，下列兩個反應(yīng)最重要目前有鉬鈦合金、鉬錸合金等產(chǎn)品。但對熱機械處理十分敏感，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。3 鎢與鎢合金，鎢是熔點最高的金屬，蒸氣壓最低，熱

3、導性好，高溫強度高，不與氫反應(yīng)，不與氚共沉積，是良好的高熱流密度部件的保護材料。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。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。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。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。核聚變反應(yīng)堆是能維持核聚變反應(yīng)并能利用利用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(yīng)為：1 液態(tài)增殖材料：主要有液態(tài)

4、鋰、共晶鋰-鉛合金（Pb17Li）、Flibe（LiF-BeF2熔鹽混合物）和鋰鹽水溶液。1 氘：氫的一種同位素，質(zhì)量數(shù)為2，又稱重氫，核素符號為D或2H 。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。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。2 鉬合金，具有熔點高、高溫強度高、高熱膨脹系數(shù)、濺射產(chǎn)額低等優(yōu)點。 3 3He，氦的一種同位素，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：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。目前，鈮鋯合金是聚變堆經(jīng)受持續(xù)高溫部件中有

5、潛力的候選材料。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。A 輻照缺陷組分在低溫輻照達到飽和值，相當與熱導率降低中子輻照對其熱導率的影響與輻照溫度密切相關(guān)，即輻照溫度越低，則熱導率下降越多。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(yīng)，并含有較多增殖材料，可獲得較高的氚增殖比。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。D作為聚變反應(yīng)堆核燃料使用時，下列兩個反應(yīng)最重要偏濾器通過干擾約束磁場，控制逃逸的燃料離子

6、和雜質(zhì)，使其遠離第一壁而撞擊在偏濾器的收集板上。1 氘：氫的一種同位素，質(zhì)量數(shù)為2，又稱重氫，核素符號為D或2H 。偏濾器會受強中子場輻照，應(yīng)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(zhì)腐蝕、易加工和焊接性等。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。不過對氚的滯留行為有不利的影響，可能與氚共沉積。不過對氚的滯留行為有不利的影響，可能與氚共沉積。且高溫下抗晶粒長大，穩(wěn)定性較好，但延展性小。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，如果受中子強烈輻

7、照，可對核燃料產(chǎn)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(yīng)力腐蝕的敏感性增強E 蠕變加速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 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(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相容性好。但對熱機械處理十分敏感，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。 3 釩

8、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(chǎn)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。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(zhuǎn)換方法得到粉末，再壓制成型，燒結(jié)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(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、維護和放射性

9、處理方面具有更大的優(yōu)勢。 影響SiC/SiC復合材料性能的關(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(guān)，即輻照溫度越低，則熱導率下降越多。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(zhì)，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(jié)構(gòu)材料必須承受高于第一壁表面一個量級的熱負荷。偏濾器會受強中子場輻照，應(yīng)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

10、介質(zhì)腐蝕、易加工和焊接性等。 1 銅合金，目前設(shè)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(chǎn)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?nèi)酰?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(chǎn)物（Ni、Zr和Co等）的積累 2 鉬合金，具有熔點高、高溫強度高、高熱膨脹系數(shù)、濺射產(chǎn)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(chǎn)品。 鉬合金的發(fā)展目標是抑制再結(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，其機制是通過較細的TiC粒子組織

11、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。 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(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、Ti加以克服。 碳、氧等雜質(zhì)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。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。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。2 氚：氫的另一種同位素，質(zhì)量數(shù)為3，核素

12、符號為T或3H。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。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。中子輻照也可減小碳基材料的熱導率。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增能力，可作為很好的面向等離子材料。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。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。一般通過如下核反應(yīng)制備：自冷卻的液態(tài)金屬包層的導管和焊縫少，可避免

13、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。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(yīng)為：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。1 氘：氫的一種同位素，質(zhì)量數(shù)為2，又稱重氫，核素符號為D或2H 。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(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相容性好。面向等離子材料：是一種保護第一壁、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、高熱負荷能

14、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。 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 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。 一般鑄造鈹力

15、學性能很差，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度塑性表現(xiàn)）。鈹產(chǎn)品的熱、機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來源：a 嬗變產(chǎn)生的氚；b等離子中注入的氚利用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(yīng)為：不過對氚的滯留行為有不利的影響，可能與氚共沉積。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。目前有鉬鈦合金、鉬錸合金等產(chǎn)品。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

16、照引起的缺陷起到尾閭作用。不過對氚的滯留行為有不利的影響，可能與氚共沉積。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不過對氚的滯留行為有不利的影響，可能與氚共沉積。偏濾器會受強中子場輻照，應(yīng)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(zhì)腐蝕、易加工和焊接性等。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。一般通過如下核反應(yīng)制備：高熱流部件結(jié)構(gòu)材料必須承受高于第一壁表面一個量級的熱負荷。面向等離子材料：是一種保護第一壁、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。影

17、響SiC/SiC復合材料性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是在結(jié)合基體材料之前沉積在纖維預型上的纖維和基體間的界面層，一般用碳。一般通過如下核反應(yīng)制備： 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(yīng)，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(jié)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(jié)方式制備?？赏ㄟ^摻入微量（1%）的La2O3獲得彌散強化效果，再通過熱機械處理使其結(jié)構(gòu)均勻化，可阻止再結(jié)晶 核聚變和中子的裝置，本章節(jié)主要介紹聚變其中U3Si可實現(xiàn)钚在輕水堆中再循環(huán)，提高鈾資源的利用率。利用D和H的沸點不同，一般采用液氫（氘）精餾、熱

18、擴散和色層分離等方法提純，作為核燃料，其聚變反應(yīng)為：3 3He，氦的一種同位素，質(zhì)量數(shù)為3。碳、氧等雜質(zhì)的存在對鈮合金的力學性能有影響。1 氘：氫的一種同位素，質(zhì)量數(shù)為2，又稱重氫，核素符號為D或2H 。D 對應(yīng)力腐蝕的敏感性增強但屈服強度較低，抗輻照腫脹性較差。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。不過對氚的滯留行為有不利的影響，可能與氚共沉積。銅合金具有良好的導熱效率，但是易受因素影響而變?nèi)酰涸摬牧暇哂辛己玫募庸?、焊接性能，與氦冷卻劑和陶瓷增殖材料相容性好。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。一般通過如下核反應(yīng)制備：2 鉬合金，具有熔點高、高溫強度高、高熱膨脹系數(shù)、濺射產(chǎn)額低等優(yōu)點。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