RAFM钢中氚氦行为的研究进展

低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢是未来磁约束核聚变堆产氚包层推荐的主体结构材料,将在ITER实验包层模块中进行考核。氚及氚衰变氦-3在RAFM钢中的驻留行为将影响所产生氚的有效利用并导致材料的结构损伤,因此RAFM钢的涉氚相容性是其最终应用于聚变堆结构材料之前必须考核的问题之一。总结了国内外对RAFM钢的氚氦相容性研究进展情况,提出了一些要解决的关键问题和将来的研究方向。     

高温氘离子辐照对低活化钢微观结构的影响

材料问题是可控核聚变能否实现商业应用从而解决人类能源问题的"瓶颈"之一。低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢具有良好的抗辐照性能,被普遍认为是新一代聚变反应堆的候选结构材料之一。在聚变堆环境下,材料不仅会受到高能中子辐照而且氘氚也可能进入材料中。为了研究氘离子以及辐照对低活化钢的微观结构的影响,采用CLAM钢(一种RAFM钢)和FeCr模型合金,在500℃下进行58keV氘离子辐照,利用高分辨透射电镜对比分析辐照前后材料微观结构的变化,研究辐照及氘离子对低活化钢的影响。结果表明:高温氘离子辐照不仅在材料中产生大量的缺陷和缺陷集团,同时还可能产生辐照诱导析出。而CLAM钢中原有的析出物经高温离子辐照后并没有发生非晶化,对其原因进行了讨论。     

氘在低活化铁素体/马氏体钢相关再沉积层中的热脱附行为

采用直流磁控溅射法,在氩气和氘气混合气氛下溅射金属靶制备铁、铬及钨与氘的共沉积层,模拟核聚变装置中燃料等离子体作用下低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢第一壁材料表面再沉积层。分别考察了在磁控溅射腔室及直线等离子体模拟装置两种平台下,氘等离子体辐照对RAFM钢相关再沉积层中氘热脱附与滞留行为的影响。研究结果表明:氘与金属共沉积的RAFM钢相关涂层中,氘热脱附行为因受材料本身的组分和结构影响而存在差异;不同的氘等离子体辐照环境对氘在共沉积涂层中捕获形式的影响不同;总体而言,两种氘等离子体辐照后,均有大量氘滞留在RAFM钢相关再沉积层中,且氘总滞留量随氘等离子体辐照通量的增大而增大;铁基和钨基涂层中的氘滞留总量相当,均比铬基的低出1-2个数量级。     

嬗变元素Re、Os对聚变装置面向等离子体钨材料性能的影响

钨(W)由于具有高熔点、高密度、低热膨胀系数、低氚滞留、低溅射产额等优异性能,被认为是最有潜力的聚变装置面向等离子体材料.氘氚聚变反应产生的14 MeV中子会导致W中嬗变元素铼(Re)、锇(Os)的产生,随着服役时间的延长,嬗变元素不断累积.这两种嬗变元素的产生势必会影响到W材料的微观组织结构,进而对W材料的性能产生影响.本文全面介绍了W嬗变元素Re、Os对聚变装置面向等离子体W材料的关键服役性能的影响,包括对力学性能、抗辐照性能、热学性能以及钨中氢同位素输运行为的影响.结果表明,W嬗变元素Re、Os能对W材料的性能造成较大的改变,但目前相关的研究都不够系统化,未来还需进行更为系统的研究来全面地对中子辐照条件下聚变装置面向等离子体W材料的性能进行评估.     

面向等离子体材料钨中氘/氦滞留行为的研究进展

作为面向等离子体材料,钨(W)在服役的过程中不仅受到等离子体造成的高能热负荷的作用,还受到高束流粒子如氘(D)、氚(T)、氦(He)等的轰击和D-T聚变反应产生的高能中子的影响。W中D、T、He的滞留和起泡,仍是聚变堆装置中有待解决的关键问题之一。综述了D、T和He的滞留行为及其气泡形成与辐照条件之间的关系,简要评述了W的服役性能和强化机理。通过降低W中D/He滞留量、抑制气泡的形成可有效改善W的服役性能。深入研究D/He滞留行为与辐照缺陷之间的相互作用关系,进而构建D/He的宏观热脱附行为与其微观状态之间的对应关系,为寻找合适途径来改善W的服役性能提供理论支撑。     

核聚变堆包层结构材料研究进展及展望

随着人类对能源需求的增加,核聚变能的发展越来越受到人们的关注。材料问题是目前限制聚变能发展的一个重要因素。包层是实现能量转换、氚自持及辐照屏蔽的主要部件,满足包层结构材料苛刻环境要求的结构材料的开发及性能检测成为目前研究的热点。以低活化铁素体马氏体(RAFM)钢为代表的包层结构材料已发展多年,然而依据中国聚变能发展路线图,CFETR一期包层结构材料的中子辐照水平可达到约10dpa,在二期达到约50dpa,目前没有材料能满足包括抗辐照损伤在内的苛刻环境要求并能满足工程建设需求。低活化铁素体马氏体钢是目前包层结构材料的首选候选结构材料,国内外已开发了多个牌号的低活化品种并具备了丰富的材料基础数据库,然而低活化钢的工作温度区间严重受限,高温蠕变及抗辐照能力无法满足CFETR二期及未来聚变堆的要求。为解决传统RAFM钢的不足,提出了两条思路:一种是添加氧化物弥散相以有效提高高温蠕变强度,其中又以制备过程中是否涉及机械合金化可进行进一步的区分;另一种思路是基于热力学模拟计算,优化RAFM钢化学成分并进行多轮热机械处理以增加MX相密度。其中,机械合金化制作的氧化物弥散强化钢(ODS钢)的性能最佳,但受限于机械合金化法,成本高且效率低。非机械合金化ODS钢与优化的RAFM钢的性能接近机械合金化ODS钢,成本远远低于机械合金化ODS钢且制备效率高,大批量制备技术相对容易。除了铁基材料外,钒合金及碳化硅复合材料在多方面展现了优势,长期以来都是研究人员关注的热点。钒合金的热蠕变和氦脆导致温度上限低并且与氢同位素兼容性不好,碳化硅复合材料的规模化生产及连接技术仍存在困难,这些缺陷限制了钒合金与碳化硅复合材料的发展,使之在现阶段无法满足应用需求。面向更高辐照水平的示范堆及商用堆,目前已有的包层结构材料可能无法满足需求。根据目前很有限的研究数据,非晶材料及高熵合金的工程应用还非常遥远:一方面需要借助材料设计和制备的新理念、新方法不断挖掘现有材料的性能潜力,另一方面应重视具有潜在优势的复合块状非晶材料及低活化高熵合金等新型材料的研发。本文依据中国磁约束聚变材料路线图草稿,对RAFM钢、机械合金化制备的ODS钢,钒合金以及碳化硅复合材料的发展进行了综述,对最近几年兴起的改良RAFM钢、非机械合金化制备的ODS钢等新型候选结构材料进行了介绍,并对具有更佳性能的先进结构材料种类进行了展望。     

不同辐照粒子下钨及钨合金辐照损伤行为的研究进展

研究核聚变、准稳态等离子体下面向等离子体材料的辐照行为,发展适合于先进实验超导托卡马克(EAST)、国际热核聚变实验堆(ITER)和中国聚变工程实验堆(CFETR)长脉冲高参数运行乃至未来聚变反应堆稳态运行的高性能面向等离子体材料是当前核聚变研究一项艰巨而又紧迫的任务。钨因具有高熔点、高导热率、低溅射腐蚀速率、高自溅射阀值以及低蒸气压和低氚滞留等优异性能,被认为是聚变装置最具有前景的面向等离子体材料。综合评述了钨及钨合金在不同辐照粒子下损伤行为的最新研究进展。粒子辐照造成的微观缺陷在钨及钨合金内部累积,辐照造成缺陷的形成和数量与钨基材料颗粒微观结构、第二相成分等密切相关,辐照缺陷情况各异。同时,辐照粒子种类、能量、剂量和温度等辐照条件都会对钨材料辐照后的形貌特征和缺陷产生重要影响。     

核聚变堆用氚增殖剂材料及其制备技术的研究进展与发展趋势

核聚变能是清洁安全的理想能源,是最终可能解决人类能源问题的途径之一。氚是核聚变的关键原料,自然界中存在稀少,如何利用氘-氚聚变反应产生的中子与含有锂的氚增殖剂材料发生核反应制备氚并使之自持是目前聚变工程堆尚待验证的核心关键技术,且是三大难题之一。常用氚增殖剂材料包括液态含锂金属与固态含锂陶瓷,目前示范堆型设计主要考虑选用固态陶瓷增殖剂,包括硅酸锂(Li_4SiO_4)、钛酸锂(Li_2TiO_3)、锆酸锂(Li_2ZrO_3)、氧化锂(Li_2O)等,并将增殖剂包层设计为球床结构。欧盟氦冷球床包层(HCPB)和中国氦冷固态包层(HCSB)中均选用Li_4SiO_4小球为增殖剂材料。根据以往设计经验,中国聚变工程实验堆(CFETR)也优先考虑硅酸锂小球作为氚增殖剂材料。本文总结了传统氚增殖剂的制备技术,包括锂同位素分离技术、小球成型工艺技术和成型过程中相纯度控制。分析对比了国内、国外氚增殖剂的常用方法的差异与优劣。通过比较发现传统制备技术获得的氚增殖剂小球的性能差异不大,且随着对氚增殖剂材料研究的推进,性能要求愈发严苛,不仅需要满足聚变堆内服役力学性能、产氚性能的要求,还应注重氚释放性能与安全性。传统球床结构目前存在诸如装载密度较低、小球易破碎堵塞提氚通道等缺陷,甚至会危及聚变堆安全,故需要开发结构和性能更优的新一代先进的增殖剂材料。本文综述了传统氚增殖剂材料制备技术,同时指出需要开发新型增殖剂材料的理由。重点阐述了新型一体成型多孔氚增殖剂的综合性能优势,并对新型一体成型多孔氚增殖剂材料研究进行了展望。     

面向等离子体材料钨中氘/氦滞留行为的研究进展

作为面向等离子体材料,钨(W)在服役的过程中不仅受到等离子体造成的高能热负荷的作用,还受到高束流粒子如氘(D)、氚(T)、氦(He)等的轰击和D-T聚变反应产生的高能中子的影响.W中D、T、He的滞留和起泡,仍是聚变堆装置中有待解决的关键问题之一.综述了D、T和He的滞留行为及其气泡形成与辐照条件之间的关系,简要评述了W的服役性能和强化机理.通过降低W中D/He滞留量、抑制气泡的形成可有效改善W的服役性能.深入研究D/He滞留行为与辐照缺陷之间的相互作用关系,进而构建D/He的宏观热脱附行为与其微观状态之间的对应关系,为寻找合适途径来改善W的服役性能提供理论支撑.     

ODS钢的抗辐照设计及纳米第二相粒子表征的研究进展

先进裂变反应堆及聚变堆要求材料在高温高压、强中子辐照、长服役周期等苛刻服役环境下具有卓越的结构和性能稳定性。氧化物弥散强化(ODS)钢由于具有优异的耐高温及耐辐照性能成为第四代反应堆包壳及核聚变包层最有希望的候选材料。基于材料的中子辐照损伤特性,主要介绍了ODS钢的抗辐照设计及纳米第二相粒子的表征方面的研究进展。     

核聚变第一壁用W-ZrC材料研究进展与展望

核聚变能是利用氢同位素氘与氚进行聚变反应而释放出的巨大能量来发电。而材料问题尤其是面向等离子体材料(PFMs)一直是核聚变能发展面临的主要挑战之一。由于PFMs直接包围高温等离子体,不但要承受高热负荷(5~20 MW/m~2稳态热流,GW/m~2级瞬态热流),而且还经受高通量的高能中子辐照、等离子体燃料粒子等的轰击等。钨(W)具有高熔点、高溅射阈值/低溅射率和高热导率等优点,而被认为是最有希望的面向等离子体第一壁的材料,目前ITER及EAST已经选用纯W作为第一壁及偏滤器材料。而对于下一代聚变堆如中国聚变工程实验堆(CFTER),其设计参数更高,PFMs服役环境比ITER及EAST更加严峻。因此纯W由于一些自身的弱点如低温脆性(DBTT~400℃)、再结晶脆化以及辐照脆化、高热负荷开裂熔化、等离子刻蚀严重等不足将无法满足未来需求。因此研究材料的辐照损伤与氢氦效应机理,揭示辐照引起材料微观结构与性能的变化以探索开发新型抗辐照W基第一壁材料变得十分迫切。近年来,国内外研究人员针对上述问题开展了系统的研究工作,研发了不同种类的W基复合材料,如W-Y_2O_3、W-La_2O_3、W-TiC及W-ZrC等,性能及工艺均取得了一定的进展。其中基于计算模拟结果发展的W-ZrC材料具有较好的综合性能,是未来聚变装置第一壁候选材料之一。本文系统介绍了W-ZrC材料研究进展,包括:钨中辐照损伤/氢氦效应机理、界面耦合强化的计算模拟结果、微结构分析测试及服役性能评估的研究,通过全面的总结分析,提出W基第一壁材料今后的主要研究方向,以及研发高性能面向未来聚变堆第一壁材料应采取的策略及措施。     

液态锂铅与阻氚涂层材料相容性的研究进展

在聚变堆液态锂铅包层设计中，结构材料表面需覆盖一层阻氚涂层。涂层一般需要兼顾两方面功能：(1)高阻氢渗透因子，能够稳定地抑制氢渗透以维持反应堆的氚安全；(2)较高的耐腐蚀性能，以保证结构材料的结构完整性及热力学性能稳定性。阻氚涂层与锂铅直接接触会发生腐蚀，产生缺陷(如腐蚀坑等),影响涂层结构稳定性和阻氢渗透效率，进而直接影响涂层的服役寿命。本文重点综述了液态锂铅与阻氚涂层的相容性以及液态锂铅腐蚀对阻氚涂层阻氢性能影响的相关研究进展。已有的研究显示，Cr₂O₃-Er₂O₃-ZrO₂涂层、铝基涂层等在静止液态锂铅环境中均展现了良好的相容性和稳定的阻氢性能。本文还指出了目前相关研究存在的共性问题及未来可能的研究发展趋势。相关领域还需进行更为全面、系统的研究，为未来聚变增殖包层中阻氚涂层的服役寿命评估提供支撑。     

D~+注入对Li_4SiO_4表面形貌影响的研究

国际热核聚变堆采用氚增殖剂与中子反应产生氚,其中氚增殖剂的释放行为和辐照性能是聚变堆设计研究的重要内容,中国独立发展的氦冷固态球床实验包层初步采用硅酸锂作为氚增殖剂。本文采用氢的同位素氘模拟研究氚在增殖剂中的释放行为和辐照性能,通过离子注入方式对硅酸锂陶瓷进行了不同剂量的氘离子辐照,研究了D离子注入对硅酸锂表面形貌的影响,同时采用高温热解析技术研究了D在硅酸锂中的释放行为。结果表明:D离子注入在表面形成了微米级气泡带、纳米级微孔、无规则裂缝。在加热过程中D主要以HD、D_2、HDO、D_2O形态释放。     

基于机器学习的RAFM钢中子辐照脆化预测模型研究

构建低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢的中子辐照脆化预测模型对聚变反应堆的安全运行和优化设计新型RAFM钢具有十分重要的意义。本研究基于收集的RAFM钢中子辐照数据集，采用相关性筛选、递归消除方法识别出影响RAFM钢中子辐照条件下韧脆转变温度(DBTT)的关键特征变量。利用筛选的关键特征变量，构建了具有良好预测能力的RAFM钢中子辐照DBTT预测模型。为进一步实现中子辐照条件下韧脆转变温度变化(ΔDBTT)的预测，首先构建了RAFM钢未辐照DBTT预测模型，然后将辐照前后DBTT预测模型相结合构建了RAFM钢中子辐照ΔDBTT预测模型。通过将模型预测的ΔDBTT与文献收集的数据进行对比发现，该模型具备较好的预测能力。     

防氚渗透涂层制备技术的研究进展

在聚变堆研究中,聚变环境中涂层材料的防氚渗透问题是聚变堆材料研究的重要课题之一.主要介绍目前常用的几种防氚渗透涂层制备技术的研究进展,并提出利用双辉技术制备梯度氧化铝涂层在316L不锈钢表面形成Al2O3和SiC复合抗氚渗透层的新技术.     

氧化铒涂层制备技术的研究进展

核聚变环境中材料的防氚渗透问题是聚变堆材料研究的重要课题之一.近年来,Er2O3涂层凭借着优良的热稳定性和防氚渗透性能引起了人们极大的关注.影响Er2O3涂层大规模应用在于其制备工艺及性能.综述了Er2O3涂层的制备技术及相关发展现状,展望了今后的发展趋势.     

D－T聚变反应堆α粒子逃逸问题的探讨

Ｄ－Ｔ聚变反应堆α粒子逃逸问题的探讨当去年１２月美国普林斯顿大学的托卡马克聚变实验反应堆（ＴＦＴＲ）开始点燃５０：５０氘－氚（Ｄ－Ｔ）混合燃料时，一个重要的问题便提了出来：在聚变反应中产生的高能α粒子（氦原子核）的是怎样的呢？对于未来的反应堆来说，即...     

V-4Cr-4Ti中的析出相及氦离子辐照损伤行为研究

钒合金作为聚变堆候选结构材料,其辐照损伤行为一直是研究热点。采用100keV的He+在室温分别对V-4Cr-4Ti与中国低活化马氏体钢CLAM(China low activity martensitic)钢进行辐照实验。利用透射电镜结合选区电子衍射,X射线能谱和电子能量损失谱观察辐照损伤前后显微结构演变及合金元素变化。结果表明,合金内部分布大量呈现针状且沿特定晶体生长方向的面心立方晶系析出相TiC,长度约为200~1 000nm。室温He+辐照造成V-4Cr-4Ti与CLAM钢内部形成2~8nm之间的氦泡。钒合金中,析出相与基体界面处的氦泡显著长大,离子辐照并未引起材料显著的晶格膨胀。此外,同一辐照环境下对比CLAM钢,V-4Cr-4Ti合金具有更好的抗辐照肿胀性能。     

高熵合金:面向聚变堆抗辐照损伤的新型候选材料

随着核聚变技术的发展,材料的辐照损伤作为制约其发展的重要问题越来越受到人们的关注。材料在聚变堆服役时面临着高温、高密度等离子体溅射、腐蚀、中子辐照等一系列极端工况,这就要求材料具备良好的力学性能、抗中子辐照能力、抗等离子体溅射能力、耐腐蚀等诸多特性。近年来,高熵合金作为一种面向聚变堆抗辐照损伤的新型候选材料逐渐发展起来,其抗辐照损伤能力的评估以及辐照损伤机理都值得深入研究。高熵合金是一种新的合金设计理念,可通过多主元合金自身较高的熵值和原子不易扩散的特性获得热稳定性高的固溶相。高熵合金具有区别于传统合金的特性,包括高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应以及性能上的"鸡尾酒"效应,这些特性使高熵合金具有高的强度和硬度、耐腐蚀性能、抗高温软化性能、良好的软磁性能等优势。目前高熵合金的辐照损伤研究主要通过离子辐照进行,集中在位错环演化、氦泡演化以及相稳定性的研究等方面。研究发现,离子辐照后高熵合金中的位错环、氦泡的尺寸被显著减小,这归因于高熵合金基体本身存在较大的畸变,它们作为吸附空位、氦原子等缺陷的阱缓解了辐照损伤。另外,目前针对聚变堆的高温工况,开发了以V、Hf、Ta、W等高熔点元素为主元的抗辐照难熔高熵合金体系。本文对高熵合金辐照损伤行为的研究现状与进展进行了归纳与梳理,包括高熵合金离子辐照下位错环和氦泡的演化规律、高熵合金离子辐照下基体及析出物的相稳定性、高熵合金在中子辐照下的辐照行为等,并介绍了面向聚变堆的抗辐照难熔高熵合金体系的开发与研究进展。最后对未来的研究方向进行了展望,以期为面向聚变堆的抗辐照高熵合金的开发提供参考。     

聚变堆装置中面向等离子体材料钨涂层的研究进展

钨具有高的熔点、不与氚发生共沉积、与等离子体好的兼容性和低的腐蚀率等优点,是最有前景的一种面向等离子体材料.为了解决面向等离子体材料的制备及其与热沉材料连接问题,涂层技术在实验聚变堆装置中得到广泛应用.评述了目前实验聚变堆装置中面向等离子体材料钨涂层的研究进展.