[發(fā)明專利]用SiCf/SiC復合材料制備高溫液態(tài)金屬回路的方法

有效

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• 申請日: 2008-07-15
• 公開（公告）號: CN101318829A
• 公開（公告）日: 2008-12-10
• 發(fā)明（設計）人: 周新貴;吳宜燦;王軍;張長瑞;黃群英;劉榮軍;王洪磊;于海蛟;趙爽;王志毅;黃澤蘭
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: C04B35/66
• 分類號: C04B35/66
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所
• 代理人: 陳暉

技術領域

本發(fā)明涉及熱核聚變反應堆的零件的制備，尤其涉及反應堆中高溫液態(tài)金屬回路的制備方法。

背景技術

作為一種經濟、安全、可靠、清潔的新能源，核聚變能對于從根本上解決能源緊張和減輕環(huán)境污染具有十分重要的意義，同時在軍事上也有非常好的應用前景。聚變反應堆是獲得和使用核聚變能的核心部件。因此，聚變反應堆技術引起世界各國的高度重視。目前，美、俄、法、中、日、韓、印七方合作進行國際熱核實驗堆計劃(InternationalThermonuclear?Experimental?Reactor，簡稱ITER)，共同開發(fā)聚變堆技術，計劃在2050年將聚變能用于發(fā)電。

材料技術是反應堆技術中的關鍵。著名物理學家費米早在1946年就指出：“核技術的成敗取決于材料在反應堆環(huán)境中的行為”，之后幾十年核反應堆的發(fā)展證實了此斷言。作為聚變堆中的核心部件，包層的工作環(huán)境最為苛刻。隨著核聚變反應堆向高環(huán)境安全性、高熱效率、高實用性的方向發(fā)展，對包層結構材料在耐高溫、抗熱震、抗氧化、輻照穩(wěn)定性、抗高能粒子轟擊、低誘導活性、化學穩(wěn)定性等方面提出了越來越高的要求。Be、W、低活性不銹鋼、釩合金等都是候選材料，但它們存在有毒，熔點低，抗輻照、抗氧化和抗沖蝕的能力不理想(Be)，密度太大，對等離子體的穩(wěn)定運行有較大影響，活性較高，難加工(W)，化學穩(wěn)定性和工作溫度不高，能量轉換效率不高(低活性不銹鋼、釩合金)等缺點。C/C復合材料由于具有抗熱震、耐高溫、熱導率高等優(yōu)點也成為聚變堆面向高溫等離子體的侯選材料，但C/C復合材料(尤其是C基體)抗氧化性能差，抗高溫等離子體中高能活性粒子的物理和化學濺射的能力差，在輻照下結構和性能的穩(wěn)定性較差，很容易與吸收的氚共沉積形成灰塵，受輻照后吸收氚的能力還會顯著提高，這不僅需要進行清潔處理，還會對環(huán)境和人身安全造成很大威脅。

包層材料的性能除應具備上述嚴苛的條件要求外，與包層中的氚增殖劑、中子倍增劑和冷卻劑的化學相容性也是現實中亟待解決的問題。氚增殖劑和中子倍增劑是維持聚變反應的重要物質，冷卻劑則起到將熱量帶走用于發(fā)電的重要作用。而液態(tài)Li-Pb集氚增殖劑、中子倍增劑和冷卻劑三種功能于一身，對輻照損傷具有很高的免疫力，可以低壓運行，對復雜構型具有很好的適應性，使用它可以簡化包層結構和提氚工藝，在包層運行時可對Li進行實時在線替換而不用考慮裝卸和停堆等安全問題。因此，參加ITER的七方都非常重視液態(tài)Li-Pb包層的發(fā)展，其中歐盟、美國和中國均將液態(tài)Li-Pb包層作為重點發(fā)展對象。中國要想在液態(tài)Li-Pb包層領域占據技術制高點，迫切需要高性能的包層結構材料制備成液態(tài)Li-Pb的回流管路，從而為熱核聚變反應堆技術的廣泛應用打下堅實的基礎。

SiC_f/SiC復合材料被公認為目前最理想的包層結構材料，它的應用可以顯著提高聚變堆的能量轉換效率、可靠性和工作壽命，大幅度降低核廢物的產量和放射性水平，且SiC_f/SiC復合材料與高溫Li-Pb熔液的化學相容性較好，從而能夠使聚變能從真正意義上成為一種高效、清潔、安全的能源。中國的雙功能鋰鉛(Li-Pb)實驗包層模塊DFLL-TBM、聚變發(fā)電反應堆FDS-II和高溫制氫堆FDS-III設計中鋰鉛出口溫度分別達到700℃和1000℃，均采用目前技術相對成熟的低活化鐵素體/馬氏體鋼(RAFM)作為結構材料，而RAFM鋼在聚變堆中的工作溫度上限為550℃，不能滿足高溫Li-Pb熔液對流通回路的耐高溫要求。因此在設計中采用流道插件(FCI)技術，即將SiC_f/SiC復合材料作為功能材料制成Li-Pb流道插件，通過FCI作為電絕緣和熱絕緣體隔離高溫鋰鉛和RAFM鋼直接接觸，來提高液態(tài)金屬鋰鉛出口溫度。這一系列的設計對SiC_f/SiC復合材料及構件提出了迫切的需求。當前，國際上比較先進的三種聚變堆概念(美國的ARIES-I、歐盟的TAURO、日本的DREAM)都是基于SiC_f/SiC復合材料為包層結構材料而設計的。研究表明，這三種概念能否實現最終取決于高性能SiC_f/SiC復合材料的發(fā)展。