核聚变堆包层结构材料研究进展及展望.PDF

核聚变堆包层结构材料研究进展及展望 1 1,2 1 1,2 徐玉平 ，吕一鸣 ，周海山 ，罗广南 （1 中国科学院等离子体物理研究所，合肥 230031 ；2 中国科学技术大学，合肥 230026 ） 摘要 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的问题。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了研究的热点。 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 钢接近机械合金化 ODS 钢的性能，成本远远小于机械合金化 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，这句话可否 改成：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，对具有更佳性能的先进结构材料种类进行了展望。 关键词 核聚变 包层 结构材料 中图分类号：TG142, TG146 文献标识码：A A Review on the Development of the structural materials of the fusion blanket 1 1,2 1,2 1,2 XU Yuping , LYU Yiming , ZHOU Haishan , LUO Guangnan (1 Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031; 2 University of Science and Technology) *国家自然科学基金（No .）；博士后创新人才支持计划 （BX201700248 ） 徐玉平：博士后，2017 博士后创新人才支持计划入选者，主要从事聚变包层结构材料研究， E-mail:xuyp@ 罗广南：通讯作者，研究员，博士研究生导师，中科院百人计划入选者，主要从 事核聚变材料相关的研究 E-mail: gnluo@ With the advance of I