[發明專利]用于聚變反應堆的具有梯度適配層的偏濾器單塊類型構件

有效

• 申請號: 201711214108.0
• 申請日: 2017-11-28
• 公開（公告）號: CN108039209B
• 公開（公告）日: 2020-08-25
• 發明（設計）人: 李強;羅廣南;王萬景;謝春意
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G21B1/13
• 分類號: G21B1/13
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

本發明公開了一種用于聚變反應堆的具有梯度適配層的偏濾器單塊類型構件，包括單塊，單塊中心開有中心通孔，單塊的中心通孔中穿過有復合管，中心通孔和復合管之間設有中間適配層，單塊由鎢或鎢合金材料制成，復合管由Al₂O₃彌散強化CuCrZr基材料制成，或者由鎢纖維增強CuCrZr基材料制成，或者由鎢顆粒增強CuCrZr基材料制成，或者由鎢纖維增強銅基材料制成，或者由鎢顆粒增強銅基材料制成，中間適配層由鎢銅合金梯度層或者鎢鐵合金梯度層制成。本發明具有較高的高溫強度和中子輻照下較寬泛的使用溫度范圍，可以承受10?20 MW/m²的熱負荷，比較適合用于將來的聚變示范堆或者反應堆的偏濾器區域。

技術領域

本發明涉及聚變反應堆單塊類型構件領域，具體是一種用于聚變反應堆的具有梯度適配層的偏濾器單塊類型構件。

背景技術

面向等離子體構件（Plasma Facing Component, PFCs）是暴露于等離子體的構件。在聚變反應堆中，偏濾器區域的PFCs將承受10-20 MW/m²的熱負荷，以及較強的中子輻照載荷。聚變堆每滿功率運行一年，在偏濾器區域對銅元素會造成約3-10 dpa的中子輻照損傷，對鎢元素會造成約2-6 dpa的中子輻照損傷。為了實現PFCs的功能，其一般由面向等離子體材料（Plasma Facing Material, PFM）和熱沉材料，以及中間適配層組成。

面向等離子體材料是暴露于等離子體區域的材料，其除了必須與等離子體相容、具有高的熔點、高的抗物理及化學濺射的能力外，還必須具有高的熱導率，低的中子活化性和足夠的強度和斷裂韌性。鎢和鎢合金（例如，W-La2O3，W-Ta，W-Re，W-ZrC，W-K等合金）將是最有希望的PFM候選材料。

銅及銅合金依其較高的熱導率、中等的中子活化性，被認為是用于聚變反應堆偏濾器區域水冷結構PFCs的最好也是唯一可選的熱沉材料。在目前的聚變實驗堆中，由于聚變中子產額較低，一般采用熱導率和機械強度都較高的彌散強化銅合金作為熱沉材料，例如CuCrZr、Cu-Al₂O₃等合金。但是，在將來聚變示范堆或者反應堆中，必須考慮中子輻照對銅和銅合金性能的影響。低溫中子輻照將使銅和銅合金產生低溫脆化，延伸率甚至降低至0。高溫中子輻照將會使銅和銅合金產生腫脹和蠕變，CuCrZr還會產生過時效退化。所以，為了避免這些中子輻照效應，純銅和銅合金的使用溫度必須限制在250-300 ℃這一狹窄的范圍內。但是，在聚變反應堆中，偏濾器區域的PFCs將承受10-20 MW/m²的熱負荷，熱沉材料的溫度很難控制在250-300 ℃這一范圍內。因此，必須增加熱沉材料的高溫性能，以及抗中子輻照腫脹和蠕變的性能，拓寬其使用溫度范圍。Al₂O₃彌散強化CuCrZr基材料、鎢纖維增強CuCrZr基材料、鎢顆粒增強CuCrZr基材料、鎢纖維增強銅基材料、鎢顆粒增強銅基材料等具有較高的高溫性能和較好的高溫性能穩定性，以及優良的抗中子輻照腫脹和蠕變的性能，具有較為寬泛的使用溫度范圍，是最為理想的熱沉候選材料。

中間適配層必須有效的緩和由于PFM與熱沉材料之間的熱物理性能不匹配造成的熱應力。在目前的聚變實驗堆中，一般采用純銅作為中間適配層。與熱沉材料一樣，在未來聚變示范堆或者反應堆中，純銅作為中間適配層也會遇到中子輻照腫脹和蠕變等問題，而且純銅還會發生較大的塑性變形，因此，此處將會是疲勞損傷的最薄弱之處。鎢銅或鎢鐵梯度層可以有效地緩和熱應力，而且具有較好的高溫性能穩定性和優良的抗中子輻照腫脹和蠕變的性能，可以提高PFCs的疲勞壽命，是較為理想的中間適配層。