核聚變（nuclear fusion）

又稱核融合、融合反應(yīng)、聚變反應(yīng)或熱核反應(yīng)。核是指由質(zhì)量小的原子，主要是指氘，在一定條件下（如超高溫和高壓），只有在極高的溫度和壓力下才能讓核外電子擺脫原子核的束縛，讓兩個原子核能夠互相吸引而碰撞到一起，發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核（如氦），中子雖然質(zhì)量比較大，但是由于中子不帶電，因此也能夠在這個碰撞過程中逃離原子核的束縛而釋放出來，大量電子和中子的釋放所表現(xiàn)出來的就是巨大的能量釋放。

D-T反應(yīng)

核聚變的燃料，氫的同位素氘在海水中儲量極為豐富，從一升海水中提出的氘，在完全的聚變反應(yīng)中可釋放相當(dāng)于燃燒300升汽油的能量。核聚變反應(yīng)堆不會產(chǎn)生污染環(huán)境的硫、氮氧化物，更不會釋放溫室效應(yīng)氣體，而且核聚變反應(yīng)堆具有絕對的安全性。可以說它是一種無污染，無核廢料，資源近乎無限的理想能源。受控核聚變發(fā)電的實(shí)現(xiàn)將從根本上解決人類的能源問題。

核聚變發(fā)應(yīng)堆裝置

磁約束核聚變（托卡馬克）目前被認(rèn)為是最有前途的可控核聚變方式。目前國際上已經(jīng)有許多托卡馬克裝置，例如我國的EAST（先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置）、歐盟的JET、美國的DⅢ-D，均實(shí)現(xiàn)了對聚變等離子體的穩(wěn)定約束，證實(shí)了受控聚變反應(yīng)的可行性。

“國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計劃”是為解決未來能源問題而開展的重大國際合作計劃。ITER裝置是一個能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托卡馬克，由歐盟、中國、美國、俄羅斯、日本、韓國以及印度七方共同參與建設(shè)。ITER計劃將集成目前國際上受控磁約束核聚變的主要科技成果，首次建造可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模聚變反應(yīng)的聚變實(shí)驗(yàn)堆，為下一步建設(shè)聚變能示范電站DEMO奠定理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

中國環(huán)流器二號M裝置是我國目前規(guī)模最大、參數(shù)最高的先進(jìn)托卡馬克裝置，是我國新一代先進(jìn)磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置，由中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院自主設(shè)計建造。該設(shè)備是實(shí)現(xiàn)我國核聚變能開發(fā)事業(yè)跨越式發(fā)展的重要依托裝置，也是我國消化吸收ITER技術(shù)不可或缺的重要平臺。

核聚變堆關(guān)鍵材料介紹

ITER結(jié)構(gòu)如下圖所示

01 包層結(jié)構(gòu)材料

聚變堆的中子輻照強(qiáng)度高達(dá)14MeV，高能中子流沖擊再結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部能產(chǎn)生高達(dá)200dpa原子離位損傷，產(chǎn)生大量空位、間隙原子。這些空位和間隙原子的進(jìn)一步擴(kuò)散會使結(jié)構(gòu)材料出現(xiàn)微結(jié)構(gòu)、微化學(xué)變化，導(dǎo)致輻照相變、偏析、硬化、腫脹等現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此堆聚變堆結(jié)構(gòu)材料必須具備以下要求：

（1）中子截面小、低活化性能

即材料中的主要合金元素具有較短的半衰期，經(jīng)過中子輻照后，其放射性能能夠快速衰變。多種常見的結(jié)構(gòu)材料的中子活化情況如下圖所示

圖 多種材料中子輻照活化計算結(jié)果

包層結(jié)構(gòu)材料可選用的元素如下圖所示

基于“極限條件下”

淺藍(lán)：無限制；黃色：一些%

粉色：盡可能低；紅色：需要PPM等級控制

（2）優(yōu)異的抗輻照性能，輻照下組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，輻照腫脹小，輻照催化和硬化程度低。

（3）力學(xué)性能穩(wěn)定，且具有足夠的韌性、塑性、強(qiáng)度及高溫蠕變強(qiáng)度。

（4）良好的加工性能，材料制備成本相對低廉

（5）與冷卻劑有良好的兼容性等。

目前正在使用和研究的包層結(jié)構(gòu)材料主要有奧氏體不銹鋼、低活化鐵素體/馬氏體鋼（RAFM）、氧化物彌散強(qiáng)化鋼（ODS）、釩合金、SiCf/SiC復(fù)合材料。如下表所示。

ODS鋼因其優(yōu)異的高溫性能和抗輻照性能被認(rèn)為是未來核能系統(tǒng)最佳備選結(jié)構(gòu)材料之一。其優(yōu)異的性能主要?dú)w功于大量細(xì)小穩(wěn)定的氧化物，如Y2Ti2O7、Y2TiO5和（Ti，Y,O）納米團(tuán)簇，它們在高溫和輻照條件下?lián)碛斜忍蓟锖偷镂龀鑫锔叩枚嗟姆€(wěn)定性。這些氧化物析出物能有效地釘扎晶界、空位和錯位，元素的擴(kuò)散也被抑制，因此能有效的抑制晶界滑移，使ODS鋼具備優(yōu)異的抗蠕變性能。同時，這些高密度穩(wěn)定的細(xì)小氧化物彌散顆粒可以作為有效陷阱捕獲點(diǎn)缺陷和輻照嬗變產(chǎn)物（如氫氦等氣泡），阻礙點(diǎn)缺陷重組和氣泡的聚集長大，因此ODS鋼也具有優(yōu)異的抗輻照性能。

02 核聚變堆面向等離子體材料

在極端的核聚變環(huán)境中，面向等離子體材料直接面對高劑量的氫同位素和氦離子作用、高強(qiáng)中子輻照以及高強(qiáng)熱沖擊的同時作用，使得面向等離子體材料的研究極具挑戰(zhàn)。例如等離子體會與材料表面相互作用，造成材料損傷，比如物理濺射、化學(xué)濺射、表面起泡和剝落等；

溫度的急劇變化一方面會導(dǎo)致材料狀態(tài)的改變，如發(fā)生再結(jié)晶或熔化，另一方面會引起巨大的機(jī)械應(yīng)力，周期性的高熱負(fù)荷作用還會產(chǎn)生疲勞載荷，容易引起材料的脆性開裂及破損。高束流的D、T、He和高強(qiáng)中子會在材料表面和內(nèi)部產(chǎn)生大量缺陷，并產(chǎn)生氣泡、空洞和腫脹。這些條件相互作用時，會嚴(yán)重影響面向等離子體材料的機(jī)械性能、熱傳遞性能等。這種損傷反過來又會污染等離子體，材料表面吸附的工作氣體、雜質(zhì)氣體和材料本身的元素進(jìn)入等離子體約束區(qū)后，會影響等離子體的穩(wěn)定性。面向等離子體材料的總體要求如下：

（1）低活化性、與等離子良好的兼容性、低氚滯留等基本性能

（2）高熔點(diǎn)，高熱導(dǎo)率

（3）低物理濺射和化學(xué)濺射

（4）優(yōu)異的高溫性能，以及抗熱沖擊性能

面向等離子體材料可大致分為低Z材料和高Z材料。低Z材料主要有石墨、碳纖維復(fù)合材料（CFC）、鈹（Be）等，高Z材料主要是鎢和鎢合金等。其各自的優(yōu)缺點(diǎn)如下表所示。

鎢因以上優(yōu)點(diǎn)被公認(rèn)為是核聚變反應(yīng)堆最具有前途的一類面向等離子體材料（PFMs）。鎢不僅被選作ITER偏濾器用材料，同時也被選作DEMO及未來聚變反應(yīng)堆中第一壁及偏濾器部位的主要備選材料。

但鎢作為面向等離子體材料的最大缺點(diǎn)就是其高脆性。鎢的韌脆轉(zhuǎn)變溫度（DBTT）約為150~400℃；輻照脆性和再結(jié)晶脆性會進(jìn)一步升高其DBTT，使其在服役過程中因溫度頻繁跨越DBTT，極易發(fā)生脆性斷裂。

圖 擁有各向異性組織的鎢在瞬時電子束沖擊下的反應(yīng)示意圖

03 新型結(jié)構(gòu)材料

目前ODS鋼、釩合金、碳化硅材料都存在一些局限，另外從更高輻照水平的示范堆（21世紀(jì)40年代）或商用原型電站（21世紀(jì)50年代）的要求看，ODS鋼也不能滿足需求。因此，聚變能長遠(yuǎn)的發(fā)展需求還需要研發(fā)其他先進(jìn)的結(jié)構(gòu)材料。復(fù)合塊狀非晶材料以及高熵合金在多個方面展現(xiàn)了優(yōu)良的性能，是有潛力的候選材料。

1 非晶材料

非晶材料由于原子排列長程無序，短程有序，其物理、化學(xué)性能與晶體合金存在較大差異，在多方面存在優(yōu)勢，包括：

① 非晶材料沒有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，其動態(tài)斷裂韌性隨載荷速率增加而提高；

② 非晶合金原子無序排列，其抗輻照性能優(yōu)于晶體合金；

③ 非晶合金具有極好的耐腐蝕性能；

④ 非晶材料與玻璃類似，存在超塑區(qū)間，可加熱軟化且易成型，從而解決了加工問題。

目前塊狀非晶材料的制備方法主要是銅模鑄造法。然而，非晶材料也存在一些劣勢，主要包括室溫脆性以及應(yīng)變軟化，從而限制了其在結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)用。

2 高熵合金

多主元的特點(diǎn)導(dǎo)致高熵合金晶格畸變嚴(yán)重、高混合熵、高溫相穩(wěn)定，通過適當(dāng)?shù)暮辖鸪煞终{(diào)配，可獲得高溫蠕變性能好、抗腐蝕、抗氧化、高強(qiáng)度的適合于高溫結(jié)構(gòu)材料的高熵合金。2014年Science雜志報道了一種FeCoNiCrMn高熵合金，其斷裂韌性優(yōu)于大多數(shù)傳統(tǒng)金屬材料，斷裂韌性在溫度下降到液氮溫度時仍保持穩(wěn)定。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室Kiran Kumar等認(rèn)為優(yōu)良的力學(xué)性能及抗腐蝕性能使得高熵合金成為了極具潛力的裂變堆和聚變堆候選結(jié)構(gòu)材料。他們還借助離子束對FeNiMnCr高熵合金進(jìn)行了離子輻照，發(fā)現(xiàn)其具有特別好的抗輻照性能，超過了奧氏體不銹鋼材料，進(jìn)一步為高熵合金在聚變堆包層結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用提供了依據(jù)。

高熵合金作為日趨飽和的傳統(tǒng)合金領(lǐng)域的一個突破方向，其種類之豐富、性能之優(yōu)異，已吸引各國科研工作者為之努力。根據(jù)以前對高熵合金的研究成果，在此對其未來聚變堆結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的研究方向加以概述：

① 高熵合金普遍脆性較大，未來希望在合金的研制上實(shí)現(xiàn)在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上提高材料韌性。

② 當(dāng)前，主要研究高熵合金的斷裂韌性，其沖擊韌性方面研究成果少見。

③ 由于高熵合金研究過程時間長，花費(fèi)大，目前所涉及的模擬主要是熱力學(xué)建模，所采用的方法大致有：第一性計算、分子動力學(xué)模擬和蒙特卡洛模擬，理論模擬方面也沒有大的突破。所以也要重視在模擬仿真方面的研究，為試驗(yàn)的開展和研究方向提供更充分的理論依據(jù)。

④ 為了更好的開展研究，未來希望能豐富各種高熵合金體系的相圖。

核聚變反應(yīng)堆用結(jié)構(gòu)材料研究進(jìn)展

奧氏體不銹鋼

奧氏體鋼是一種常規(guī)的多相合金，其中無序固溶體奧氏體相為其主要相，鎳和碳的存在使這種相結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。奧氏體不銹鋼具有價格便宜，加工、焊接性能良好以及優(yōu)異的韌塑性能和抗腐蝕性能等特點(diǎn)，工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中用的最多的是304不銹鋼以及添加少量Mo元素，含Cr和Ni的量適當(dāng)調(diào)整的316不銹鋼。

對于聚變堆結(jié)構(gòu)材料的研究一開始是關(guān)注于具有優(yōu)良高溫強(qiáng)度性能的奧氏體鋼。后來發(fā)現(xiàn)奧氏體鋼有很多不足，如熱導(dǎo)率低、抗輻照腫脹性能差、不滿足低活化要求，并且屈服強(qiáng)度較低，可能需要通過工藝優(yōu)化和添加元素來提高，同時也對未來聚變堆新材料的開發(fā)提出了更高的要求。

RAFM鋼

RAFM鋼，簡稱低活化鋼，是中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（Chinese fusion engineering testing reactor，CFETR）和將來更高功率的商用聚變堆首選的第一壁/包層結(jié)構(gòu)材料。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，歐洲、日本、美國和中國等在內(nèi)的很多國家開展了很多RAFM鋼的研究，例如歐洲的EUROFER97，日本的F82H和JLF-1，美國的9Cr2WVTa，中國低活化馬氏體（Chinalow activation martensitic，CLAM）鋼。下表給出了各種RAFM鋼的熱處理工藝及組織特點(diǎn)，這是在基于優(yōu)先滿足低活化的前提下，并且考慮多種綜合力學(xué)性能因素得出的結(jié)果。

表 多種RAFM鋼熱處理工藝及組織特點(diǎn)

根據(jù)已有的研究結(jié)論可知，傳統(tǒng)RAFM鋼的理論工作溫度范圍在325～550℃，其中輻照誘導(dǎo)的硬化和脆化因素影響了其低溫環(huán)境中使用，而熱蠕變強(qiáng)度影響了其高溫環(huán)境中的使用。經(jīng)過更多后續(xù)深入的研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的 RAFM 鋼具有這些缺點(diǎn)：

550℃以上，材料的長時熱時效問題及低蠕變強(qiáng)度的問題開始變的明顯；在聚變中子輻照超過1～10dpa會出現(xiàn)非常嚴(yán)重的低溫輻照脆化現(xiàn)象；輻照在25～50dpa上時，輻照腫脹程度會非常嚴(yán)重；與焊接相關(guān)的很多問題，焊接工藝苛刻，對熱機(jī)械處理十分敏感。

總之RAFM鋼高溫強(qiáng)輻照環(huán)境下具有組織穩(wěn)定性不足的缺點(diǎn)，力學(xué)性能急劇下降。除此之外，對于在控制 RAFM 鋼中雜質(zhì)含量方面也是一個很大的問題，所以在與之相關(guān)的很多中間環(huán)節(jié)都必須要做好保障，這些都需要后續(xù)研究者們的持續(xù)深入研究。

釩合金

對釩合金中主要合金元素和某些微量的雜質(zhì)元素含量進(jìn)行控制，通過優(yōu)化釩合金的組成而得到期望的綜合性能。反應(yīng)堆中應(yīng)用的釩合金中含有Nb和Mo這2種元素，會影響其低活化特性，因此，新型釩合金中應(yīng)避免添加Nb和Mo。因此，同種原因Ag和Al的含量也應(yīng)該被嚴(yán)格控制。已知添加 Cr 元素有利于釩合金高溫強(qiáng)度的提高，且添加 Ti 可以用來吸收釩合金中的間隙雜質(zhì)（主要是O）來變相增強(qiáng)材料的韌性。因此，需要準(zhǔn)確控制VxCr-yTi 三系合金中Cr 和Ti 的含量。當(dāng)Cr 和Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和大于10%時，合金的脆性增加。下圖是釩合金不同退火溫度下DBTT。經(jīng)過多年研究發(fā)現(xiàn)，V-4Cr-4Ti和V-5Cr-5Ti合金被認(rèn)為是V-xCr-yTi3系合金中綜合性能最好的材料。

圖 V-xCr-yTi合金不同退火溫度下的DBTT

將釩合金作為聚變堆結(jié)構(gòu)材料在應(yīng)用方面存在以下缺點(diǎn)：不完善的工程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；更高溫度如750℃以上時出現(xiàn)材料性能迅速下降；嬗變產(chǎn)生的氦影響材料的力學(xué)性能以及抗輻照性能穩(wěn)定性；輻照影響合金的斷裂性能；工作環(huán)境下釩合金嬗變產(chǎn)生的高氫同位素具有滯留和滲透的特點(diǎn)，這會嚴(yán)重影響材料的力學(xué)性能表現(xiàn)。所以未來需要在高溫力學(xué)、輻照和焊接性能等方面重點(diǎn)關(guān)注，來為合金后續(xù)的持續(xù)優(yōu)化提供更多數(shù)據(jù)。

碳化硅復(fù)合材料

SiC纖維增強(qiáng)的SiC基陶瓷復(fù)合材料（SiCf/SiC）在核反應(yīng)堆中的應(yīng)用研究已持續(xù)了數(shù)十年，其最初的應(yīng)用是在高溫氣冷反應(yīng)堆中。盡管在300℃時輻照后樣品的強(qiáng)度有所降低，但是基底的斷裂強(qiáng)度（由比例極限應(yīng)力所測）在500℃和800℃輻照后變化不大。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)純SiC和SiCf/SiC復(fù)合材料處于500～1 000℃這個溫度范圍，輻照劑量達(dá)到70dpa時仍然具有高的強(qiáng)度和良好的尺寸穩(wěn)定性，甚至在1100℃時在液態(tài) Pb-Li 中仍然具備優(yōu)異的相容性。近些年的許多研究成果為SiC復(fù)合材料的后續(xù)發(fā)展解決了一些重要的可行性問題，這些都為接下來SiC復(fù)合材料的進(jìn)一步發(fā)展提供了良好的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

目前，SiCf/Si復(fù)合材料的制備工藝包括以下幾種形式：先驅(qū)體浸漬裂解（polymer impregnation and pyrolysis, PIP）； 化學(xué)氣相滲透（chemical vapor infiltration, CVI）； 納米浸漬與瞬時共晶（nanoinfiltrated transient eutectoid, NITE） 和反應(yīng)浸滲（reaction infiltration, RI）等。

經(jīng)過大量研究發(fā)現(xiàn)，對于SiCf/SiC復(fù)合材料抗輻照性能的好壞主要是由材料的純度和結(jié)晶度決定的。如果材料的純度越低，結(jié)晶度越低，那么輻照越易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷，材料的抗輻照性能也越低；反之，純度和結(jié)晶度越高，在輻照下的結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性就越好。下表為SiCf/SiC復(fù)合材料的幾種制備工藝的優(yōu)缺點(diǎn)比較。

表 SiCf/SiC復(fù)合材料制備工藝的優(yōu)缺點(diǎn)

通過對PIP、CVI、NITE和RI等這4種主要制備工藝進(jìn)行分析可知，每種工藝均存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。尤其針對核反應(yīng)堆環(huán)境對SiC基體高結(jié)晶度、高純度和高致密度的要求，迫切需要對傳統(tǒng)制備工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使其制備SiCf/SiC復(fù)合材料各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到核用標(biāo)準(zhǔn)。同時一定要加快研制發(fā)展新的制備工藝手段如NITE/PIP結(jié)合CVI工藝等，通過不斷探索新的制備工藝方法來進(jìn)一步提高SiCf/SiC復(fù)合材料的性能。

參考文獻(xiàn)：

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