HT7限制器的進一步改造課件

聚變第一壁材料的研究進展與HT-7U第一壁材料研究

陳俊凌

2001年4月18日聚變第一壁材料的研究進展與HT-7U第一壁材料研究1

面臨的任務：

（1）開發(fā)高性能的新型材料；

（2）探索大大提高現(xiàn)有材料性能。聚變堆第一壁/包層候選材料（趨向于材料系統(tǒng)）：聚變材料研究發(fā)展趨勢結(jié)構材料：

鐵素體/馬氏體、銅合金、SiC/SiCf、釩基合金；中子倍增材料：

鉛、鈹;氚增值材料：

鋰-鉛、鋰、鋰陶瓷、Flibe;絕緣材料：

Al2O3、MgO、MgAl2O4和BeO、BNetc.;窗口材料SiO2基光纖；石英晶體（遠紅外）、ZnSe和光纖材料：（紅外）、Fusedsilica（可見光和近紫外）、

MgF和藍寶石（紫外）；面對等離子體材料：高Z

（W、Mo、Vetc.）；

低Z（CBM、CFC、Beetc）.;面臨的任務：（1）開發(fā)高性能的新型材料；聚變材料研究發(fā)2

聚變堆結(jié)構材料的發(fā)展趨向

材料

要點奧氏體不銹鋼首批候選材料（現(xiàn)一般聚變裝置正在大量使用的)鐵素體/馬氏體鋼（HT-9）近期研究和應用可行性大釩基合金（VCrTi）中期目標較好SiC/SiCf適合作為遠期目標鈦合金歐共體另一選擇研究鉻日本另一選擇研究

聚變堆結(jié)構材料的發(fā)展趨向材料3

CuCrZr

DS-Cu(GlidcopAl25)

200C4000C6000C200C4000C6000C屈服強度/MPa280170480230140極限強度/MPa400230460250150總伸長率/%2520252020熱導率/W.m-1.K-1350320360320300可焊接性

好

中等可纖焊性(brazability)中等（熱處理〕好（無銀）斜脊連接（hipping)中等（熱處理）好

DSCu主要優(yōu)點是高溫下仍有很好的機械性能；CuCrZr的主要優(yōu)點是在焊接方面積累了豐富的經(jīng)驗，熱處理后能恢復其初始性能。銅合金熱沉材料的發(fā)展情況

4限制器、抽氣限制器、各態(tài)歷經(jīng)偏濾器(磁限制器);偏濾器、抽氣偏濾器；不銹鋼、W、Mo、Graphite、Be、CFC、CFC+高Z（W，Mo，V，為反應堆做準備）；目前的研究認為：高Z材料往將來聚變堆方向發(fā)展可能更有前途。

面對等離子體材料限制器、抽氣限制器、各態(tài)歷經(jīng)偏濾器(磁限制器);目前的研究認5偏濾器位形聚變裝置中PMI過程示意圖

PMI過程一方面會造成PFM的損傷；另一方面會給等離子體引入雜質(zhì)，此外還將對燃料粒子的再循環(huán)產(chǎn)生影響。損傷機制：濺射；蒸發(fā)；解吸；起?。槐成⑸?；反擴散；表面起泡；氫在晶界處析出等；中子輻照引起的體損傷等等離子體和壁相互作用問題偏濾器位形聚變裝置中PMI過程示意圖PMI過程一方面會造成6Highenergycontent(severalhundredsMJvs.fewMJincurrentdevice)andpowerflowMoreintensedisruptionsanddisruption-relateddamageeffects;Requireaneffectivereliablewaytodispersethepowertothedivertorsurfaces.Longpulseduration(fewhundredssvs.fewsincurrentdevices)

requireactivecoolingofPFCsandvesselstructure

andtechniquetopumpingHeash;RequireeffectivecontrolofplasmapurityandPMIstoachievehighplasmaperformance.Highdutyfactor(3%～10%)orpulserepetitionrateShorttimeforwallconditioningandtritiumrecoveryfromco-depositedfilms;Remotemaintenancewithacceptableshot-downtimes.LongcumulativeruntimeTheerosionlifetime(needstobereplacedseveraltimes);Tritiumretentionanddust(safetyproblems);Neutrondamageseffectsinthebulksurroundingmaterialsandstructures;PFMsurfaceswillbemodifiedbymixingeffects;Routineoperationwithlargeamountoftritium;Superconductingmagnettechnology;Fastremotemaintenanceforrepair/refurbishmentofthein-vesselcomponentsandsomeofex-vesselcomponents;8)Safety:未來聚變裝置的主要特征和相關的PMI問題Highenergycontent(severalh7Component/armourmaterials/area/maindesignloadsPeakheatfluxParticlefluxEnergyFastneutron(MW/m-2)(DT.m-2.s-1)(eV)(n.m-2.s-1)Fast-wall/Be-1000｛680｝(m2)0.51019-1020100-500≤2.3×1018—charge-exchangeneutrals(E<100eV)；｛≤1.3×1018｝—Radiativepowerfrombremsstralung；—localisedthermal,particleandelectronmagneticloadsduringdisruption,VDE,runawayelectrons.Start-uplimiter/Be～10(m2)—directplasmainteractionandhighthermal～81021-1022100-500≤2.3×1018duringstart-upandshut-down｛≤1.3×1018｝Divertortarget(strike-points)C～75｛55｝(m2)—highthermalpowerandfluxofparticles;<10-20<10241-304-6×1017—depositionofenergyduringdisruption,ELMs;(plasmatemp.)｛2-3×1017｝—electronmagneticloadsduringdisruptions.Divertorbaffle/W

～200｛50｝(m2)31021-1022>30≤2×1018—charge-exchangeneutrals(E<100eV)；(plasmatemp.)｛1×1018｝—directinteractionwithSOLplasma;—radiationpowerfromX-point(e.g.,MARFEs);—possibledepositionofenergyduringELMs;—radiatedenergyduringVDE;—electronmagneticloadsduringdisruption;DivertorDome/W

～85｛30｝(m2)31021-1022>30≤1.1×1018—charge-exchangeneutrals(E<100eV)；(plasmatemp.)｛9×1017｝—radiationpowerfromX-point(e.g.,MARFEs);—radiatedenergyduringVDE;—electronmagneticloadsduringdisruption;ITER的主要運行參數(shù)和第一壁材料選取Component/armourmaterials/are8HT7限制器的進一步改造課件9

聚變裝置用炭基材料研究進展1970’s后期，PLT裝置第一次使用石墨限制器起因：PLT采用NBI輔助加熱系統(tǒng)；限制器：起初用W為限制器，但在高功率和低的等離子體密度情形下，獲得了很高的邊緣等離子體溫度和功率密度，引發(fā)W的濺射，輻射損失大；改進：用石墨限制器替代了W限制器，結(jié)果獲得了巨大成功。主要原因在于石墨材料屬于低Z材料，輻射損失??；表面過熱時只會升華，而不熔化。從此，炭材料成為核聚變裝置中限制器和偏濾器設計時優(yōu)先考慮的材料到80年代中期許多托卡馬克裝置在運行時都采用石墨限制器或偏濾器板與此同時，實驗室中針對石墨材料的測試和模擬開始廣泛進行，旨在闡明石墨與氫等離子體的化學反應炭的化學腐蝕和RES行為；中子輻照下炭材料的一些性能和結(jié)構變化；炭與氫的同位素的共沉積行為；目前炭材料仍然是世界范圍內(nèi)大型托卡馬克的主要面對等離子體材料除了作為限制器和偏濾器，炭材料還在擴大其使用范圍，如覆蓋整個真空壁象TFTR，DIII-D，JT-60U，ToreSupra，ASDEX-U（現(xiàn)在在發(fā)展高Z的W）等采用全炭壁。低化學濺射，抗RES，高熱通量炭基復合材料成為目前的研究重點炭材料內(nèi)部改性（添加B，Si，Ti，V，Zr，Ni，W或其炭化物等）；表面涂層（B4C，SiC，TiC，W等）；高導熱率石墨和CFC復合材料；石墨（CFC材料）和銅熱沉的連接技術及其性能評價。聚變裝置用炭基材料研究進展1970’s后期，PLT裝置第一10

摻雜石墨在國外裝置上的應用硼化石墨已經(jīng)在TEXTOR和DIIID，W7-X等裝置上獲得成功應用。

問題：低的熱導率是硼化石墨的主要缺點。俄羅斯牌號為RG-Ti的摻雜石墨在TEXTOR上用作限制器；

取得了一些結(jié)果，但是主要問題是RG-Ti材料內(nèi)存在的雜質(zhì)影響仍然比較明顯；另外就是在熱負荷達30MW/m2的情況下，材料表面溫度高達2400℃，從而引發(fā)炭的大量升華。1994/1995年的一輪實驗，將兩塊Ti摻雜石墨RG-Ti-91瓦片替代了石墨瓦片安裝在ASDEX-U的偏濾器上，進行了實驗。

結(jié)果：放電次數(shù)達670次，脈沖長度為2s。實驗中觀察到RG-Ti-91瓦片的安裝對放電性能沒有影響，也就是說，在等離子體中沒有檢測到其它雜質(zhì)如Ti的存在。這兩片瓦表面溫升與其它的細晶粒石墨相比降低了2倍。實驗后對樣品的表面檢測發(fā)現(xiàn)，一些炭被腐蝕，TiC晶體顆粒暴露在表面，這與實驗室用離子束轟擊后的結(jié)果是一致的。發(fā)展趨勢：進一步提高摻雜石墨的熱導值，抗濺射性能和中子輻照，今后高Z（添加SiC，TiC，ZrC，WC，V8C7等）等摻雜有可能成為發(fā)展方向；摻雜石墨在國外裝置上的應用硼化石墨已經(jīng)在TEXTOR和DI11

高導熱CFC復合材料的研究CFC材料目前在裝置上主要用作限制器和偏濾器板瓦

1.纖維的導熱高（主要原因） 2.基體炭的導熱（中間相瀝青，CVI熱解炭）高導熱炭纖維

VGCF（氣相生長炭纖維），據(jù)報道單絲熱導值可達1960W/mK

高模量中間相瀝青炭纖維高導熱CFC復合材料

VGCF（氣相生長炭纖維）是炭纖維中熱導率最高的，由此而制成的CFC（纖維體積含量從28%~70%，基體炭是熱解炭CVI制備）。制得的CFC熱導率可達842W/m.K（密度1.69g/cc），910W/m.K(1.88g/cc)。這兩種CFC的纖維體積含量為57%和70%。 瀝青炭纖維：P-130纖維，約60%體積含量，密度2.1g/cc,纖維熱導可達1100W/mk，CFC的熱導率達851W/m.K，這種高模量炭纖維的成本大約為$3000/kg.發(fā)展趨向：高熱導并趨于多維摻雜CFC（SiC)高導熱CFC復合材料的研究CFC材料目前在裝置上主要用作限12CFC/Cu-alloyjioningTechnologies:Cu-alloy/StainlessSteeljioningTechnologies:Heatsinkforms:

flat,saddle,monoblock...Jioningmethods:AMCTM,Brazing,e-beamwelding...HIP,frictionwelding,explosionbonding,diffusionbonding…TheperformanceofCu/SSjionts

islimitedbythepropertiesofCualloys,cracks,inducedbymechanicalorthermalfatiguepropagateintheCupartandnotintheSS.CFC/Cu-alloyjioningTechnolog13

碳基材料存在的問題及研究方向致命弱點：研究方向：

第一重要的就是再沉積碳層中的氚的去除（氘清洗、氧清洗和加熱700K以上，或在-270K以下的低溫）如果不能解決這個問題，CBM將被排除出PFM候選材料的行列；

進一步提高其抗CS性能和熱導值；

中子輻照條件下的熱物理和力學性能穩(wěn)定性研究；其它。化學濺射（甚至低能氫、氧離子轟擊<5eV）使PFC的使用壽命降低和等離子體芯部的雜質(zhì)水平升高；中子輻照引起CBM的熱物理和力學性能的快速衰變（特別是熱導值較大幅度的降低）；再沉積碳層中高氚滯留量所導致的裝置的經(jīng)濟性與安全運行問題。碳基材料存在的問題及研究方向致命弱點：第一重要的就是再沉14

隨著對聚變研究的深入，轟擊到PFC上的能流和粒子能量等邊緣等離子體參數(shù)可以得到較好的控制。在這種情況下，高Z的鎢以其高熔點、高物理濺射閾能和無化學濺射等優(yōu)良性能而被重新確認為最有希望的候選PFM。從九十年代開始，AlcatorC-Mod，F(xiàn)TU，ASDEX-U，和TEXTOR等裝置都開展了使用高Z材料作為PFM的實驗研究。在TEXTOR限制器實驗中發(fā)現(xiàn)：除高密度歐姆加熱和噴氖而導致邊緣冷卻時出現(xiàn)過鎢在等離子體中心的聚積外，NBI和ICRF等輔助加熱手段均可有效地抑制鎢在等離子體中的輸運，這一結(jié)果顯示高Z材料在等離子體中心的聚積可能不是與高Z材料的釋放量有關，而是與其在等離子體中的輸運有關；在ASDEX-U上使用鎢作為偏濾器靶板材料，大多數(shù)次實驗顯示鎢在主等離子體中的濃度保持在2×10-5Part/m3以下，此值低于聚變堆點火所能容忍的雜質(zhì)水平。然而由于這些裝置都是局部使用鎢作為PFM，其它部位仍為CBM，結(jié)果在實驗中發(fā)現(xiàn)等離子體中的主要雜質(zhì)仍然是由于PSI而釋放的碳雜質(zhì)，鎢瓦很快被再沉積的碳所覆蓋而失去其作為PFM的好處。高Z的鎢成為PFM研究的新亮點隨著對聚變研究的深入，轟擊到PFC上的能流和粒子15

鎢作為PFM的主要優(yōu)點Higherthresholdenergyofsputteringandlowsputteringyield;‘Promotedeposition’ofhighZatoms;Quitefavorablethermalmechanicalproperties

(even>100W/m.Kat15000C);Relativelyhighstrength,highestmeltingpointandlowvaporpressure;

Higherreflectioncoefficientforheatdeposition;鎢作為PFM的主要優(yōu)點Higherthreshold16

高Z的W的制備和改性研究Shortcomings:

poorductile(DBTT1500～4000C),heavymass,re-crystallization(11500C)(propertiesdependentonmetallurgicaltreatment-methodofproduction,machiningcondition,grainsize,temperatureofhistoryandimpurities.)Toavoidthere-crystallization(singlecrystalormakealloys)Bulktungsten

Pure-W

(sinteringtechnique,electronbeamorarc);

PW

(W-5Re;W-1%La2O3,W-Cu,W-Cu,W-Cu-Ni,W-Fe-Nietc.).

W-coatingmethods

CVDPVDVPSIPS高Z的W的制備和改性研究Shortcomings:poo17CBM表面上的W涂層成為研究熱點CBM表面上的W涂層成為研究熱點18ASDEX-U用W涂層（幾十～550μm）石墨（1m25m2）作為覆蓋內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)中心等離子體鎢雜質(zhì)含量并沒有明顯增加;石墨（CFC）表面W涂層作為偏濾器材料具有以下優(yōu)點：偏濾器的運行環(huán)境：熱負荷約為10~30MW/m2；粒子負荷約為高于1019/cm2s；低的等離子體溫度小于50eV;可充分利用石墨或CFC材料的高熱導及W材料的高的濺射域值;偏濾器磁場位形設計還可防止濺射出的W雜質(zhì)返回到芯部等離子體;對于CFC和W,在高熱負荷（1800MW/m2，1.5~2ms）等離子體破裂熱沖擊下的失重行為：失重和腐蝕坑及融化的面積隨著材料的溫度升高變大；CFC表面的火花：高溫下要小于低溫下，與失重不一致；CFC的失重隨它的熱導值增加而減?。幌嗤瑹嶝摵上?，W的失重要小于CFC。原因是兩個方面：1，W由于可以反射一部分能量，所以它吸收的能量要小于CFC（70%）；2，W的蒸發(fā)和融化也吸收了部分能量。ASDEX-U用W涂層（幾十～550μm）石墨（1m25m19W/Cu-alloyjioningTechnologies:Castinge-beamweldingCVDPSHIPDB(diffusionbonding)ThemaindifficultiesisthelargedifferencesinCTE

andelasticmodulusW/Cu-alloyjioning20

HT-7U裝置的材料問題

第一壁材料：近期：一般負荷區(qū)：采用陶瓷組元摻雜石墨(常壓)＋SiCcoatings,備選：“三高”石墨＋SiCcoatings;

較高負荷區(qū)：采用熱壓摻雜石墨或短纖維摻雜石墨

＋SiCcoatings;

高負荷區(qū)：繼續(xù)發(fā)展熱壓石墨（能否使用？)

同時發(fā)展摻雜CFC(方向：2D－CFC摻雜SiC）中遠期：發(fā)展高熱導的摻雜CFC，并趨于向多維方向發(fā)展；研究Graphite+Wcoatings及W、Mo體材料及其涂層材料，發(fā)展原位鎢化涂層技術等。HT-7U裝置的材料問題21Thefabricationmethodsforcarbon/ceramiccompositesThefabricationmethodsforca22

第一次真正制得形狀復雜的摻雜大塊碳瓦，且在其上實現(xiàn)了均勻的SiC厚膜梯度涂層(百m以上)；實現(xiàn)了涂層前的碳瓦清潔處理，經(jīng)多道徹底清洗后可以做到碳瓦手摸上去不黑手，在這方面具有與國外同樣的水準；涂層后的碳瓦在我所烘烤到3000C和3500C后經(jīng)質(zhì)譜分析，其出氣率指標較低，其真空性能能夠滿足要求，具有與國外各相同性細晶石墨同樣的水準；可實現(xiàn)批量，這次是近七公斤，其工藝適于今后批量生產(chǎn)。配方是在參考國內(nèi)外最新研究成果的基礎上，經(jīng)多次臺面實驗優(yōu)選而出的；抗濺射性能優(yōu)于純石墨材料(如日本IG－430U)；熱導率可達150W/m.K(室溫下）以上；力學性能在一維方向接近俄羅斯產(chǎn)的MPG-8，在另一個方向稍差；有很好的抗熱沖擊性能，在約3MW/m2電子束熱沖擊情況下(30s），沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；在模擬等離子體破裂情況下，失重情況可與國外碳石墨材料相比；真空性能有顯著改善，與國外先進水平可比。熱壓石墨及SiC厚膜梯度涂層方面進展第一次真正制得形狀復雜的摻雜大塊碳瓦，且在其上實現(xiàn)了均勻的23

HT-7

ASIPPMainlimiterwasdesignedasawholecircularringinthepoloidaldirection;Aminorradiusis27cm,whichissmallerthanpreviousMolimiter28.5cm.TheLCFSwasdefinedbymainlimiter,whichwidentheSOLandprovidethegoodprotectionforstainlesssteellinerfromenergeticionsbombardment;Thetotalsurfaceareaiaabout0.3cm2,whenmediumheatingpowerwasappliedinHT-7(400kW，LHCD；200kW，RF;400kWOH),

Heatloadfluxisabout

2MW/m2.

HT-7ASIPPMainlimiterwas24

熱壓摻雜碳陶復合材料（高負荷區(qū)）繼續(xù)從事熱壓工藝穩(wěn)定性研究工作（約半年）；探索新配方，繼續(xù)走提高現(xiàn)有性能這條路；

2000年冬季HT-7限制器用碳/陶復合材料的配方為：7-7.5%Ti，0.1-0.5%B，1-2%Si，該種配方所得的綜合性能優(yōu)越。

還有兩種配方可制備高熱導碳/陶復合材料：

7-7.5%Ti，0.1-0.2B%;2.5%左右的單組元摻Ti；基體材料：石墨粉＋生石油焦粉、煅燒焦粉、針狀焦、或中間相瀝青碳微球。

25

熱沉材料及其它熱沉材料:（既要考慮材料本身的性能:如力學性能、熱導值及延脆性等，又要考慮可加工性能：如可加工性和焊接性能等)；不銹鋼：其熱導值一般在10～20W/m.K（好點在

30～40W/m.K）;銅合金：其熱導值最高可達300多W/m.K（鈹青銅、CuCrZr合金、DS-copperalloys、OFHC等）。HT-7U裝置的熱沉材料：

一般負荷區(qū)選用不銹鋼或CuCrZr合金；高負荷區(qū)需選用CuCrZr合金；機械連接界面材料：柔性石墨、金屬Mo片、OFHC墊片等。

26

常壓工藝穩(wěn)定性探索和最后定型

主要為HT-7U一般負荷區(qū)準備，熱壓雖可完全滿足一般負荷區(qū)的的需要，但綜合成本較高。配方優(yōu)化同熱壓工藝：其工藝周期較長，一般需兩個月以上；關鍵是要解決工藝穩(wěn)定性問題：這部分工作有煤化所承擔，ASIPP的工作是要積極配合并給予評價，即時反饋結(jié)果，建立關鍵問題即時協(xié)商解決機制。重點解決其開裂和提高其抗熱沖擊性能問題。

27

第一壁SiC涂層問題化學反應轉(zhuǎn)化法制備SiC厚膜梯度涂層:

Si(liquid)+C(solid)→SiC(solid)

反應溫度應在14100C以上進行。CVR法制備SiC厚膜梯度涂層:Si(gas)+C(solid)→SiC(solid)反應溫度應在1500～16000CCVI法制備SiC厚膜梯度涂層:2C(solid)+SiO(gas)→SiC(solid)+CO(gas)↑

SiO的汽化溫度為13000C。

28

圖3.

碳基體上的SiC涂層系統(tǒng)示意

29

碳基體SiC涂層斷面Si成份分布X射線成像和概念模型

30

HT-7U裝置第一壁涂層系統(tǒng)設計

在幾種SiC涂層中，CVR法實現(xiàn)SiC涂層的梯度和致密性要明顯好于液態(tài)Si反應轉(zhuǎn)化所得到的涂層，但低于CVI法；同時CVD實現(xiàn)的SiC涂層最為致密,但其梯度性較差。一般負荷區(qū)：采用CVR法實現(xiàn)的SiC涂層，該種涂層厚度可達百μm量級，其特點主要是易于實現(xiàn)，涂層的質(zhì)量因晶粒粗大等，質(zhì)量稍差，但適合大面積。高負荷區(qū):

可采用CVI方法實現(xiàn)的B4C厚膜梯度涂層和通過CVI和CVD兩種方法實現(xiàn)的復合涂層SiC-SiC/C，如稍降低要求，則CVI法實現(xiàn)的SiC厚膜梯度涂層也可滿足要求。

31

建立HT-7裝置中材料實驗站問題

HT-7正在積極向國際化大裝置邁進的過程中，李建剛老師已在積極籌劃其進一步的改造工作，為抓住這一難得的機會，在HT-7裝置的進一步改進中，考慮材料實驗站的問題。

Testlimiter加上必要的診斷就是一個很好的材料試驗站，不僅TEXTOR裝置這么做，象DIII－D偏濾器診斷上就有這樣的材料試驗送樣和分析機構。改造中想將Testlimiter考慮在進一步改造計劃中，以前的送樣結(jié)構中缺少對材料的診斷，如溫度、光譜、攝像機初步成像和Ha等診斷措施，只能靠取出后的肉眼觀察和其它分析，缺少對其在等離子體中的環(huán)境行為評價。

32TheabilitytostudythescienceofplasmainteractionwithmaterialsisprovidedbytheDIII-Ddivertormaterialevaluationsystem(DiMES)Theabilitytostudythesci33SchematicviewofthetestlimiterinTEXTOR’94deviceSchematicviewofthetestlim34

測試平臺在材料評價方面的主要工作對于熱壓摻雜石墨：

對其能否應用在高負荷區(qū)提供評價；對于常壓摻雜石墨：

主要側(cè)重于抗熱沖擊、真空性能及高溫下的放氣行為等提供綜合性評價；對于涂層系統(tǒng)：

在為HT-7U第一壁高通量部件上發(fā)展的SiC（B4C）厚膜保護涂層能否與基體緊密接觸、能否經(jīng)受得住強熱沖擊、其壽命如何？為此開展的實驗室評價也是必不可少的。對于進一步的PFM研究

35聚變第一壁材料的研究進展與HT-7U第一壁材料研究

陳俊凌

2001年4月18日聚變第一壁材料的研究進展與HT-7U第一壁材料研究36

面臨的任務：

（1）開發(fā)高性能的新型材料；

（2）探索大大提高現(xiàn)有材料性能。聚變堆第一壁/包層候選材料（趨向于材料系統(tǒng)）：聚變材料研究發(fā)展趨勢結(jié)構材料：

鐵素體/馬氏體、銅合金、SiC/SiCf、釩基合金；中子倍增材料：

鉛、鈹;氚增值材料：

鋰-鉛、鋰、鋰陶瓷、Flibe;絕緣材料：

Al2O3、MgO、MgAl2O4和BeO、BNetc.;窗口材料SiO2基光纖；石英晶體（遠紅外）、ZnSe和光纖材料：（紅外）、Fusedsilica（可見光和近紫外）、

MgF和藍寶石（紫外）；面對等離子體材料：高Z

（W、Mo、Vetc.）；

低Z（CBM、CFC、Beetc）.;面臨的任務：（1）開發(fā)高性能的新型材料；聚變材料研究發(fā)37

聚變堆結(jié)構材料的發(fā)展趨向

材料

要點奧氏體不銹鋼首批候選材料（現(xiàn)一般聚變裝置正在大量使用的)鐵素體/馬氏體鋼（HT-9）近期研究和應用可行性大釩基合金（VCrTi）中期目標較好SiC/SiCf適合作為遠期目標鈦合金歐共體另一選擇研究鉻日本另一選擇研究

聚變堆結(jié)構材料的發(fā)展趨向材料38

CuCrZr

DS-Cu(GlidcopAl25)

200C4000C6000C200C4000C6000C屈服強度/MPa280170480230140極限強度/MPa400230460250150總伸長率/%2520252020熱導率/W.m-1.K-1350320360320300可焊接性

好

中等可纖焊性(brazability)中等（熱處理〕好（無銀）斜脊連接（hipping)中等（熱處理）好

DSCu主要優(yōu)點是高溫下仍有很好的機械性能；CuCrZr的主要優(yōu)點是在焊接方面積累了豐富的經(jīng)驗，熱處理后能恢復其初始性能。銅合金熱沉材料的發(fā)展情況

39限制器、抽氣限制器、各態(tài)歷經(jīng)偏濾器(磁限制器);偏濾器、抽氣偏濾器；不銹鋼、W、Mo、Graphite、Be、CFC、CFC+高Z（W，Mo，V，為反應堆做準備）；目前的研究認為：高Z材料往將來聚變堆方向發(fā)展可能更有前途。

面對等離子體材料限制器、抽氣限制器、各態(tài)歷經(jīng)偏濾器(磁限制器);目前的研究認40偏濾器位形聚變裝置中PMI過程示意圖

PMI過程一方面會造成PFM的損傷；另一方面會給等離子體引入雜質(zhì)，此外還將對燃料粒子的再循環(huán)產(chǎn)生影響。損傷機制：濺射；蒸發(fā)；解吸；起弧；背散射；反擴散；表面起泡；氫在晶界處析出等；中子輻照引起的體損傷等等離子體和壁相互作用問題偏濾器位形聚變裝置中PMI過程示意圖PMI過程一方面會造成41Highenergycontent(severalhundredsMJvs.fewMJincurrentdevice)andpowerflowMoreintensedisruptionsanddisruption-relateddamageeffects;Requireaneffectivereliablewaytodispersethepowertothedivertorsurfaces.Longpulseduration(fewhundredssvs.fewsincurrentdevices)

requireactivecoolingofPFCsandvesselstructure

andtechniquetopumpingHeash;RequireeffectivecontrolofplasmapurityandPMIstoachievehighplasmaperformance.Highdutyfactor(3%～10%)orpulserepetitionrateShorttimeforwallconditioningandtritiumrecoveryfromco-depositedfilms;Remotemaintenancewithacceptableshot-downtimes.LongcumulativeruntimeTheerosionlifetime(needstobereplacedseveraltimes);Tritiumretentionanddust(safetyproblems);Neutrondamageseffectsinthebulksurroundingmaterialsandstructures;PFMsurfaceswillbemodifiedbymixingeffects;Routineoperationwithlargeamountoftritium;Superconductingmagnettechnology;Fastremotemaintenanceforrepair/refurbishmentofthein-vesselcomponentsandsomeofex-vesselcomponents;8)Safety:未來聚變裝置的主要特征和相關的PMI問題Highenergycontent(severalh42Component/armourmaterials/area/maindesignloadsPeakheatfluxParticlefluxEnergyFastneutron(MW/m-2)(DT.m-2.s-1)(eV)(n.m-2.s-1)Fast-wall/Be-1000｛680｝(m2)0.51019-1020100-500≤2.3×1018—charge-exchangeneutrals(E<100eV)；｛≤1.3×1018｝—Radiativepowerfrombremsstralung；—localisedthermal,particleandelectronmagneticloadsduringdisruption,VDE,runawayelectrons.Start-uplimiter/Be～10(m2)—directplasmainteractionandhighthermal～81021-1022100-500≤2.3×1018duringstart-upandshut-down｛≤1.3×1018｝Divertortarget(strike-points)C～75｛55｝(m2)—highthermalpowerandfluxofparticles;<10-20<10241-304-6×1017—depositionofenergyduringdisruption,ELMs;(plasmatemp.)｛2-3×1017｝—electronmagneticloadsduringdisruptions.Divertorbaffle/W

～200｛50｝(m2)31021-1022>30≤2×1018—charge-exchangeneutrals(E<100eV)；(plasmatemp.)｛1×1018｝—directinteractionwithSOLplasma;—radiationpowerfromX-point(e.g.,MARFEs);—possibledepositionofenergyduringELMs;—radiatedenergyduringVDE;—electronmagneticloadsduringdisruption;DivertorDome/W

～85｛30｝(m2)31021-1022>30≤1.1×1018—charge-exchangeneutrals(E<100eV)；(plasmatemp.)｛9×1017｝—radiationpowerfromX-point(e.g.,MARFEs);—radiatedenergyduringVDE;—electronmagneticloadsduringdisruption;ITER的主要運行參數(shù)和第一壁材料選取Component/armourmaterials/are43HT7限制器的進一步改造課件44

聚變裝置用炭基材料研究進展1970’s后期，PLT裝置第一次使用石墨限制器起因：PLT采用NBI輔助加熱系統(tǒng)；限制器：起初用W為限制器，但在高功率和低的等離子體密度情形下，獲得了很高的邊緣等離子體溫度和功率密度，引發(fā)W的濺射，輻射損失大；改進：用石墨限制器替代了W限制器，結(jié)果獲得了巨大成功。主要原因在于石墨材料屬于低Z材料，輻射損失小；表面過熱時只會升華，而不熔化。從此，炭材料成為核聚變裝置中限制器和偏濾器設計時優(yōu)先考慮的材料到80年代中期許多托卡馬克裝置在運行時都采用石墨限制器或偏濾器板與此同時，實驗室中針對石墨材料的測試和模擬開始廣泛進行，旨在闡明石墨與氫等離子體的化學反應炭的化學腐蝕和RES行為；中子輻照下炭材料的一些性能和結(jié)構變化；炭與氫的同位素的共沉積行為；目前炭材料仍然是世界范圍內(nèi)大型托卡馬克的主要面對等離子體材料除了作為限制器和偏濾器，炭材料還在擴大其使用范圍，如覆蓋整個真空壁象TFTR，DIII-D，JT-60U，ToreSupra，ASDEX-U（現(xiàn)在在發(fā)展高Z的W）等采用全炭壁。低化學濺射，抗RES，高熱通量炭基復合材料成為目前的研究重點炭材料內(nèi)部改性（添加B，Si，Ti，V，Zr，Ni，W或其炭化物等）；表面涂層（B4C，SiC，TiC，W等）；高導熱率石墨和CFC復合材料；石墨（CFC材料）和銅熱沉的連接技術及其性能評價。聚變裝置用炭基材料研究進展1970’s后期，PLT裝置第一45

摻雜石墨在國外裝置上的應用硼化石墨已經(jīng)在TEXTOR和DIIID，W7-X等裝置上獲得成功應用。

問題：低的熱導率是硼化石墨的主要缺點。俄羅斯牌號為RG-Ti的摻雜石墨在TEXTOR上用作限制器；

取得了一些結(jié)果，但是主要問題是RG-Ti材料內(nèi)存在的雜質(zhì)影響仍然比較明顯；另外就是在熱負荷達30MW/m2的情況下，材料表面溫度高達2400℃，從而引發(fā)炭的大量升華。1994/1995年的一輪實驗，將兩塊Ti摻雜石墨RG-Ti-91瓦片替代了石墨瓦片安裝在ASDEX-U的偏濾器上，進行了實驗。

結(jié)果：放電次數(shù)達670次，脈沖長度為2s。實驗中觀察到RG-Ti-91瓦片的安裝對放電性能沒有影響，也就是說，在等離子體中沒有檢測到其它雜質(zhì)如Ti的存在。這兩片瓦表面溫升與其它的細晶粒石墨相比降低了2倍。實驗后對樣品的表面檢測發(fā)現(xiàn)，一些炭被腐蝕，TiC晶體顆粒暴露在表面，這與實驗室用離子束轟擊后的結(jié)果是一致的。發(fā)展趨勢：進一步提高摻雜石墨的熱導值，抗濺射性能和中子輻照，今后高Z（添加SiC，TiC，ZrC，WC，V8C7等）等摻雜有可能成為發(fā)展方向；摻雜石墨在國外裝置上的應用硼化石墨已經(jīng)在TEXTOR和DI46

高導熱CFC復合材料的研究CFC材料目前在裝置上主要用作限制器和偏濾器板瓦

1.纖維的導熱高（主要原因） 2.基體炭的導熱（中間相瀝青，CVI熱解炭）高導熱炭纖維

VGCF（氣相生長炭纖維），據(jù)報道單絲熱導值可達1960W/mK

高模量中間相瀝青炭纖維高導熱CFC復合材料

VGCF（氣相生長炭纖維）是炭纖維中熱導率最高的，由此而制成的CFC（纖維體積含量從28%~70%，基體炭是熱解炭CVI制備）。制得的CFC熱導率可達842W/m.K（密度1.69g/cc），910W/m.K(1.88g/cc)。這兩種CFC的纖維體積含量為57%和70%。 瀝青炭纖維：P-130纖維，約60%體積含量，密度2.1g/cc,纖維熱導可達1100W/mk，CFC的熱導率達851W/m.K，這種高模量炭纖維的成本大約為$3000/kg.發(fā)展趨向：高熱導并趨于多維摻雜CFC（SiC)高導熱CFC復合材料的研究CFC材料目前在裝置上主要用作限47CFC/Cu-alloyjioningTechnologies:Cu-alloy/StainlessSteeljioningTechnologies:Heatsinkforms:

flat,saddle,monoblock...Jioningmethods:AMCTM,Brazing,e-beamwelding...HIP,frictionwelding,explosionbonding,diffusionbonding…TheperformanceofCu/SSjionts

islimitedbythepropertiesofCualloys,cracks,inducedbymechanicalorthermalfatiguepropagateintheCupartandnotintheSS.CFC/Cu-alloyjioningTechnolog48

碳基材料存在的問題及研究方向致命弱點：研究方向：

第一重要的就是再沉積碳層中的氚的去除（氘清洗、氧清洗和加熱700K以上，或在-270K以下的低溫）如果不能解決這個問題，CBM將被排除出PFM候選材料的行列；

進一步提高其抗CS性能和熱導值；

中子輻照條件下的熱物理和力學性能穩(wěn)定性研究；其它。化學濺射（甚至低能氫、氧離子轟擊<5eV）使PFC的使用壽命降低和等離子體芯部的雜質(zhì)水平升高；中子輻照引起CBM的熱物理和力學性能的快速衰變（特別是熱導值較大幅度的降低）；再沉積碳層中高氚滯留量所導致的裝置的經(jīng)濟性與安全運行問題。碳基材料存在的問題及研究方向致命弱點：第一重要的就是再沉49

隨著對聚變研究的深入，轟擊到PFC上的能流和粒子能量等邊緣等離子體參數(shù)可以得到較好的控制。在這種情況下，高Z的鎢以其高熔點、高物理濺射閾能和無化學濺射等優(yōu)良性能而被重新確認為最有希望的候選PFM。從九十年代開始，AlcatorC-Mod，F(xiàn)TU，ASDEX-U，和TEXTOR等裝置都開展了使用高Z材料作為PFM的實驗研究。在TEXTOR限制器實驗中發(fā)現(xiàn)：除高密度歐姆加熱和噴氖而導致邊緣冷卻時出現(xiàn)過鎢在等離子體中心的聚積外，NBI和ICRF等輔助加熱手段均可有效地抑制鎢在等離子體中的輸運，這一結(jié)果顯示高Z材料在等離子體中心的聚積可能不是與高Z材料的釋放量有關，而是與其在等離子體中的輸運有關；在ASDEX-U上使用鎢作為偏濾器靶板材料，大多數(shù)次實驗顯示鎢在主等離子體中的濃度保持在2×10-5Part/m3以下，此值低于聚變堆點火所能容忍的雜質(zhì)水平。然而由于這些裝置都是局部使用鎢作為PFM，其它部位仍為CBM，結(jié)果在實驗中發(fā)現(xiàn)等離子體中的主要雜質(zhì)仍然是由于PSI而釋放的碳雜質(zhì)，鎢瓦很快被再沉積的碳所覆蓋而失去其作為PFM的好處。高Z的鎢成為PFM研究的新亮點隨著對聚變研究的深入，轟擊到PFC上的能流和粒子50

鎢作為PFM的主要優(yōu)點Higherthresholdenergyofsputteringandlowsputteringyield;‘Promotedeposition’ofhighZatoms;Quitefavorablethermalmechanicalproperties

(even>100W/m.Kat15000C);Relativelyhighstrength,highestmeltingpointandlowvaporpressure;

Higherreflectioncoefficientforheatdeposition;鎢作為PFM的主要優(yōu)點Higherthreshold51

高Z的W的制備和改性研究Shortcomings:

poorductile(DBTT1500～4000C),heavymass,re-crystallization(11500C)(propertiesdependentonmetallurgicaltreatment-methodofproduction,machiningcondition,grainsize,temperatureofhistoryandimpurities.)Toavoidthere-crystallization(singlecrystalormakealloys)Bulktungsten

Pure-W

(sinteringtechnique,electronbeamorarc);

PW

(W-5Re;W-1%La2O3,W-Cu,W-Cu,W-Cu-Ni,W-Fe-Nietc.).

W-coatingmethods

CVDPVDVPSIPS高Z的W的制備和改性研究Shortcomings:poo52CBM表面上的W涂層成為研究熱點CBM表面上的W涂層成為研究熱點53ASDEX-U用W涂層（幾十～550μm）石墨（1m25m2）作為覆蓋內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)中心等離子體鎢雜質(zhì)含量并沒有明顯增加;石墨（CFC）表面W涂層作為偏濾器材料具有以下優(yōu)點：偏濾器的運行環(huán)境：熱負荷約為10~30MW/m2；粒子負荷約為高于1019/cm2s；低的等離子體溫度小于50eV;可充分利用石墨或CFC材料的高熱導及W材料的高的濺射域值;偏濾器磁場位形設計還可防止濺射出的W雜質(zhì)返回到芯部等離子體;對于CFC和W,在高熱負荷（1800MW/m2，1.5~2ms）等離子體破裂熱沖擊下的失重行為：失重和腐蝕坑及融化的面積隨著材料的溫度升高變大；CFC表面的火花：高溫下要小于低溫下，與失重不一致；CFC的失重隨它的熱導值增加而減??；相同熱負荷下，W的失重要小于CFC。原因是兩個方面：1，W由于可以反射一部分能量，所以它吸收的能量要小于CFC（70%）；2，W的蒸發(fā)和融化也吸收了部分能量。ASDEX-U用W涂層（幾十～550μm）石墨（1m25m54W/Cu-alloyjioningTechnologies:Castinge-beamweldingCVDPSHIPDB(diffusionbonding)ThemaindifficultiesisthelargedifferencesinCTE

andelasticmodulusW/Cu-alloyjioning55

HT-7U裝置的材料問題

第一壁材料：近期：一般負荷區(qū)：采用陶瓷組元摻雜石墨(常壓)＋SiCcoatings,