中国氦冷固态增殖剂实验包层模块材料研究进展

在未来核聚变反应堆中,为补充氚的消耗,需要在核聚变堆的包层中进行氚的在线增殖,以维持核聚变反应的持续进行。为验证这一关键技术,在国际热核聚变实验堆（ITER）上开展了ITER TBM计划（实验包层项目）。作为ITER计划成员方之一,中方以中国氦冷固态增殖剂实验包层模块（HCCB TBM）概念参与ITER TBM计划。HCCB TBM现今进入初步设计阶段,而材料的制备技术和性能数据是支撑其结构设计、安全分析和服役工况评估的基础。本文综述和分析了HCCB TBM结构材料低活化铁素体/马氏体钢（RAFM钢）与功能材料氚增殖剂和中子倍增剂的研究现状,并对这些材料下一步的研究方向进行了展望。     

中国氦冷固态增殖剂实验包层模块材料研究进展

在未来核聚变反应堆中,为补充氚的消耗,需要在核聚变堆的包层中进行氚的在线增殖,以维持核聚变反应的持续进行。为验证这一关键技术,在国际热核聚变实验堆(ITER)上开展了ITER TBM计划(实验包层项目)。作为ITER计划成员方之一,中方以中国氦冷固态增殖剂实验包层模块(HCCB TBM)概念参与ITER TBM计划。HCCB TBM现今进入初步设计阶段,而材料的制备技术和性能数据是支撑其结构设计、安全分析和服役工况评估的基础。本文综述和分析了HCCB TBM结构材料低活化铁素体/马氏体钢(RAFM钢)与功能材料氚增殖剂和中子倍增剂的研究现状,并对这些材料下一步的研究方向进行了展望。     

中国液态锂铅包层材料研究进展

液态锂铅包层是国际上普遍关注和最有发展潜力的聚变堆包层概念设计之一,而包层材料是液态锂铅包层的核心问题之一.目前,液态锂铅包层普遍选用低活化铁素体/马氏体钢(RAFM钢)作为结构材料,液态锂铅作为中子倍增剂及氚增殖剂.另外,部分设计采用了耐高温、电绝缘流道插件作为功能材料,以降低磁流体动力学效应及提高冷却剂出口温度(高于700℃).为适应液态包层的发展需求,中国科学院等离子体物理研究所FDS团队联合国内外相关研究单位,进行了具有中国自主知识产权的中国低活化马氏体钢(CLAM钢)及液态锂铅包层功能材料研发,并开展了锂铅热对流及强迫对流回路的设计、研制及腐蚀实验研究,以研究液态金属锂铅的流动特性及其与结构和功能材料的相容性.同时建立了聚变堆材料数据库平台,为促进中国聚变堆液态包层及材料技术的研究和发展提供数据支持.     

Li4SiO4陶瓷球的研制

产氚包层是聚变堆的关键系统，其设计与研发是我国参与ITER计划的重要研究领域。氦冷／固态氚增殖剂产氚包层采用锂陶瓷材料，目前，国际上最为关注的是具有较为优异和全面氚增殖特性的LinSiO4和Li2TiO3等。     

中国低活化马氏体钢CLAM在液态锂铅中腐蚀的初步实验研究

液态金属锂铅包层是最具发展潜力的聚变堆包层之一,其首选结构材料为低活化铁素体/马氏体钢,而它与液态锂铅的相容性是聚变堆材料研究领域的关键问题之一.本文介绍中国低活化马氏体钢CLAM在液态金属锂铅回路DRAGON-1热对流工况下的实验情况及500 h 480 ℃下初步腐蚀实验结果,并与同样工况下316L奥氏体钢腐蚀结果进行了对比分析.结果显示CLAM钢与液态锂铅的相容性优于316L钢.     

聚变堆低活化马氏体钢的发展

介绍了国际聚变堆低活化结构材料发展概况及趋势,以及国内发展自己特有的低活化马氏体钢的必要性。介绍了聚变堆结构材料——低活化铁素体/马氏体钢发展的必要性及迫切性,以及目前国际上包括欧洲、日本、美国等在此方面研究的进展概况及发展趋势,最后提出了国内发展自己特有的低活化马氏体钢——CLAM钢的必要性,并对目前的研究进展情况做了介绍。     

堆内辐照在线产氚氦冷陶瓷氚增殖剂包层球床组件热工流体力学计算分析

在研究堆内进行辐照在线产氚试验是ITER计划专项国内配套研究项目之一。本工作主要针对研究堆内辐照氦冷陶瓷氚增殖剂包层（简称陶瓷）球床组件的试验技术要求，评估辐照陶瓷球床组件设计方案的可行性。通过对不同的陶瓷球床组件结构参数和组件在堆内的不同辐照位置，进行热工流体力学设计计算，得到满足要求的入堆辐照陶瓷球床组件设计方案。     

69 马氏体不锈钢辐照效应研究

低活化马氏体钢具有良好的抗辐照肿胀热物理性能，所以最有希望成为实验聚变堆第1壁和包层结构材料，也是正在进行研究设计的聚变堆次临界系统（Fusion Driven Sub—critical System，FDS）的首选结构材料之一。     

中国氦冷固态增殖剂实验包层系统氚输运初步分析

氚输运分析是开展中国氦冷固态增殖剂实验包层系统安全分析及未来聚变堆氚自持运行的重要研究内容之一。基于氚输运理论和固态增殖剂包层系统设计,利用FDS凤麟核能团队开发的聚变系统氚分析程序TAS,构建了固态增殖剂包层系统氚输运分析系统动力学模型。该模型氚输运结果与文献报道的吻合得很好,误差小于6%,验证了模型的正确性。针对中国氦冷固态增殖剂实验包层系统氚输运问题进行了两种计算方法(稳态、脉冲模式)的初步分析,获得了氚提取系统、氦气冷却系统回路氚分压,实验包层模块冷却流道、窗口室内氚提取系统和氦气冷却系统回路材料中氚滞留量,窗口室内氚提取系统和氦气冷却系统回路氚日渗透量等数据。最终对比结果显示,脉冲模式分析方法能够实时地跟踪源项的快速变化,更符合中国氦冷固态增殖剂实验包层系统实际运行情况。窗口室内氦气冷却系统回路材料中氚滞留量占到日产氚量的31.3%,因此需要在这些氚滞留损失严重的部位考虑适当的阻氚措施。     

CFETR氦冷固态增殖剂包层产氚性能研究及优化

氦冷固态增殖剂包层是中国聚变工程实验堆（CFETR）的3种候选包层概念之一。本文基于中国核工业西南物理研究院提出的一种氦冷固态增殖剂包层概念,通过蒙特卡罗输运程序MCNP5建立了包层三维中子学模型,探究了不同几何布置方案及结构设计参数对包层产氚性能的影响,得到了全堆氚增殖比（TBR）及极向各包层模块产氚分布,并由优化后的模型得到了包层模块核热分布。结果表明,优化后的TBR达到1.177,满足氚自持的最低要求。     

中国聚变工程试验堆包层的核热耦合效应研究

本文以中国聚变工程试验堆（CFETR）的氦冷固态包层和水冷固态包层为研究对象,基于蒙特卡罗程序MCNP和计算流体力学程序FLUENT,利用3D-1D-2D耦合方法和伪材料方法,分别对200 MW的氦冷固态包层和水冷固态包层及1.5 GW的水冷固态包层方案进行了核热耦合计算分析。研究结果表明,金属铍的热散射效应和轻水密度是聚变包层核热耦合效应的主要来源,核热耦合效应对氦冷固态包层的影响可忽略,对水冷固态包层的氚增殖比和温度分布有一定程度的影响。     

CLAM用作超临界水冷包层第一壁结构材料的热与应力性能分析

在聚变堆超临界水冷固态增殖包层第一壁的运行工况下,采用数值方法对采用中国低活化马氏体钢(CLAM)作为结构材料的第一壁进行单向流固耦合分析,为超临界水冷实验包层模块(TBM)的热工设计提供借鉴。分别采用CLAM和F82H作为第一壁结构材料,对比温度场和应力场,并考察不同冷却管道形状(矩形和圆形)、不同冷却管道直径和最小壁厚对第一壁温度场和应力场的影响。结果表明:CLAM的最高温度及最大应力均高于F82H的;采用CLAM作为结构材料时,矩形冷却管道的角域的换热得到了增强,但同时也造成了应力集中,第一壁设计时应综合权衡;增大冷却管道直径和减小最小壁厚均有利于换热。     

T91/15-15Ti异材焊接接头微观组织和力学性能研究

T91和15-15Ti是第4代核能钠冷快堆和铅铋快堆候选结构材料,国内外对铁素体/马氏体钢和奥氏体钢焊接性能、焊后热处理、焊接应力等进行了广泛的研究。本文对T91/15-15Ti试板焊态和热处理态焊接接头的焊缝、热影响区和母材微观组织和力学性能变化进行了研究,为T91和15-15Ti异材焊接参数选用和材料应用提供实验数据。     

高氚增殖比包层的设计及热工水力分析

本文设计了一种高氚增殖比包层(HBRB),该包层采用多孔U-10Zr合金作为中子倍增剂,Li4SiO4球床作为增殖剂,低活化马氏体(RAFM)钢作为结构材料。在详细研究包层加工工艺、流量分配、中子性能等问题的基础上,完成了包层内部详细结构设计。利用中子学软件分析计算了包层的氚增殖比(TBR)和热沉积分布,并根据计算结果对包层进行热力耦合分析。结果表明:包层TBR较高,且核性能稳定;冷却剂的流量分配情况和压降合理;包层内各组件冷却充分,温度和结构材料热应力不超过限值。     

适合核能可持续发展的焊接技术——印度的展望

在印度乃至全世界,核反应堆材料焊接技术的发展是经济的、安全的、环保的核能可持续发展的关键。新的、改进的、不同的核反应堆材料需要与最前端的焊接技术相适应,以确保核能的成本竞争力。现今成熟的焊接科学已经用于开发适合高级的／改进的材料的焊接产品,同时在现有的核电厂中发展适合的焊接修复技术。一些新型焊接技术,如钨极隋性气体（TIG）活化焊、搅拌摩擦焊和混合焊已经在核反应堆构件的制造中实现了工业应用。在确保高质量焊接过程中,将会增加人工神经网络等工具的应用。从长远看,聚变技术的发展在很大程度上将依赖合适的材料焊接技术的发展,如低活性铁素体-马氏体双相钢和氧化物弥散强化合金。     

聚变驱动次临界堆双冷嬗变包层结构设计与分析

给出聚变驱动次临界堆液态金属LiPb/He气双冷嬗变包层参考结构概念,采用了低活化铁素体/马氏体RAFM钢(如CLAM)作为结构材料、简单液态金属流道、两个独立氦气冷却系统以及燃料球/颗粒等设计方案。重点分析了嬗变包层第一壁、重金属区与裂变产物嬗变区的结构设计特点。     

聚变制氢堆高温液态包层热工水力学新概念研究

在深入分析聚变堆包层设计要求和目前技术发展水平的基础上,根据热化学工艺制氢需要高温热的要求,提出了一个基于技术相对成熟的低活化铁素体/马氏体钢作为主要结构材料、高压氦气与液态LiPb合金作为冷却剂、具有创新性“多层流道插件”结构方案以获得高温热能的包层热工水力学概念,建立了热工水力学模型,在利用有限元数值模拟程序进行模拟计算的基础上分析了这种新概念包层的可行性。     

中国低活化马氏体钢CLAM研究进展

低活化铁素体/马氏体钢(RAFM钢)被普遍认为是未来聚变示范堆和聚变动力堆的首选结构材料。国际上给予了高度重视,许多国家都在研发其特有的RAFM钢。中科院等离子体物理研究所在与国内外多家单位的合作下发展了中国低活化马氏体钢———CLAM。本文总结了CLAM钢研制发展的主要进展,包括其成分优化设计、冶炼加工制备工艺、物理性能、机械性能、辐照性能及与液态LiPb的相容性等测试与研究以及各种焊接工艺研究等,并对今后的发展方向进行了展望。     

聚变发电反应堆双冷液态锂铅包层模块结构设计与分析

给出聚变发电反应堆FDS Ⅱ模块式液态锂铅包层(DLL)结构方案,以低活化马氏体(RAFM)钢为结构材料,采用液态金属LiPb作为增殖材料和冷却剂,使用碳化硅流道插件作为电绝缘和热绝缘。包层的设计特点体现在:从增殖区、冷却剂流道、屏蔽包层、母管、机械连接、维修装配等几个方面全局考虑包层设计,结构布置完整;独有的“”形隔板设计使氦气冷却回路容易实现,增殖流道简单,可简化制造工艺,提高可靠性。同其他液态锂铅包层相比,DLL包层在冷却剂系统、制造、装配上可成就较高的可行性。     

低活性F/M钢形变退火过程中的组织演化

作为超临界水堆燃料包壳管用候选材料,设计和制备了一种高Cr低活性铁素体/马氏体钢（0.14C-11.06Cr-2.3W）,实验钢经淬火回火热处理后为回火马氏体组织。对实验钢进行60%冷变形,并随后在750～820℃下退火10～720min。通过显微组织观察和硬度测量,研究了变形前后板条马氏体在回复、再结晶、奥氏体化中的组织演化规律。结果表明,预变形既影响板条马氏体的再结晶行为,又影响奥氏体化行为。无变形的板条马氏体退火时难以发生再结晶,奥氏体直接在回火马氏体的原奥氏体晶界生成;60%预变形后易发生再结晶,奥氏体在完全再结晶的铁素体晶界上形核长大。