HT-7限制器的进一步改造课件

聚变第一壁材料的研究进展与HT-7U第一壁材料研究

陈俊凌

2001年4月18日聚变第一壁材料的研究进展与HT-7U第一壁材料研究1

面临的任务：

（1）开发高性能的新型材料；

（2）探索大大提高现有材料性能。聚变堆第一壁/包层候选材料（趋向于材料系统）：聚变材料研究发展趋势结构材料：

铁素体/马氏体、铜合金、SiC/SiCf、钒基合金；中子倍增材料：

铅、铍;氚增值材料：

锂-铅、锂、锂陶瓷、Flibe;绝缘材料：

Al2O3、MgO、MgAl2O4和BeO、BNetc.;窗口材料SiO2基光纤；石英晶体（远红外）、ZnSe和光纤材料：（红外）、Fusedsilica（可见光和近紫外）、

MgF和蓝宝石（紫外）；面对等离子体材料：高Z

（W、Mo、Vetc.）；

低Z（CBM、CFC、Beetc）.;面临的任务：（1）开发高性能的新型材料；聚变材料研究发2

聚变堆结构材料的发展趋向

材料

要点奥氏体不锈钢首批候选材料（现一般聚变装置正在大量使用的)铁素体/马氏体钢（HT-9）近期研究和应用可行性大钒基合金（VCrTi）中期目标较好SiC/SiCf适合作为远期目标钛合金欧共体另一选择研究铬日本另一选择研究

聚变堆结构材料的发展趋向材料3

CuCrZr

DS-Cu(GlidcopAl25)

200C4000C6000C200C4000C6000C屈服强度/MPa280170480230140极限强度/MPa400230460250150总伸长率/%2520252020热导率/W.m-1.K-1350320360320300可焊接性

好

中等可纤焊性(brazability)中等（热处理〕好（无银）斜脊连接（hipping)中等（热处理）好

DSCu主要优点是高温下仍有很好的机械性能；CuCrZr的主要优点是在焊接方面积累了丰富的经验，热处理后能恢复其初始性能。铜合金热沉材料的发展情况

4限制器、抽气限制器、各态历经偏滤器(磁限制器);偏滤器、抽气偏滤器；不锈钢、W、Mo、Graphite、Be、CFC、CFC+高Z（W，Mo，V，为反应堆做准备）；目前的研究认为：高Z材料往将来聚变堆方向发展可能更有前途。

面对等离子体材料限制器、抽气限制器、各态历经偏滤器(磁限制器);目前的研究认5偏滤器位形聚变装置中PMI过程示意图

PMI过程一方面会造成PFM的损伤；另一方面会给等离子体引入杂质，此外还将对燃料粒子的再循环产生影响。损伤机制：溅射；蒸发；解吸；起弧；背散射；反扩散；表面起泡；氢在晶界处析出等；中子辐照引起的体损伤等等离子体和壁相互作用问题偏滤器位形聚变装置中PMI过程示意图PMI过程一方面会造成6Highenergycontent(severalhundredsMJvs.fewMJincurrentdevice)andpowerflowMoreintensedisruptionsanddisruption-relateddamageeffects;Requireaneffectivereliablewaytodispersethepowertothedivertorsurfaces.Longpulseduration(fewhundredssvs.fewsincurrentdevices)

requireactivecoolingofPFCsandvesselstructure

andtechniquetopumpingHeash;RequireeffectivecontrolofplasmapurityandPMIstoachievehighplasmaperformance.Highdutyfactor(3%～10%)orpulserepetitionrateShorttimeforwallconditioningandtritiumrecoveryfromco-depositedfilms;Remotemaintenancewithacceptableshot-downtimes.LongcumulativeruntimeTheerosionlifetime(needstobereplacedseveraltimes);Tritiumretentionanddust(safetyproblems);Neutrondamageseffectsinthebulksurroundingmaterialsandstructures;PFMsurfaceswillbemodifiedbymixingeffects;Routineoperationwithlargeamountoftritium;Superconductingmagnettechnology;Fastremotemaintenanceforrepair/refurbishmentofthein-vesselcomponentsandsomeofex-vesselcomponents;8)Safety:未来聚变装置的主要特征和相关的PMI问题Highenergycontent(severalh7Component/armourmaterials/area/maindesignloadsPeakheatfluxParticlefluxEnergyFastneutron(MW/m-2)(DT.m-2.s-1)(eV)(n.m-2.s-1)Fast-wall/Be-1000｛680｝(m2)0.51019-1020100-500≤2.3×1018—charge-exchangeneutrals(E<100eV)；｛≤1.3×1018｝—Radiativepowerfrombremsstralung；—localisedthermal,particleandelectronmagneticloadsduringdisruption,VDE,runawayelectrons.Start-uplimiter/Be～10(m2)—directplasmainteractionandhighthermal～81021-1022100-500≤2.3×1018duringstart-upandshut-down｛≤1.3×1018｝Divertortarget(strike-points)C～75｛55｝(m2)—highthermalpowerandfluxofparticles;<10-20<10241-304-6×1017—depositionofenergyduringdisruption,ELMs;(plasmatemp.)｛2-3×1017｝—electronmagneticloadsduringdisruptions.Divertorbaffle/W

～200｛50｝(m2)31021-1022>30≤2×1018—charge-exchangeneutrals(E<100eV)；(plasmatemp.)｛1×1018｝—directinteractionwithSOLplasma;—radiationpowerfromX-point(e.g.,MARFEs);—possibledepositionofenergyduringELMs;—radiatedenergyduringVDE;—electronmagneticloadsduringdisruption;DivertorDome/W

～85｛30｝(m2)31021-1022>30≤1.1×1018—charge-exchangeneutrals(E<100eV)；(plasmatemp.)｛9×1017｝—radiationpowerfromX-point(e.g.,MARFEs);—radiatedenergyduringVDE;—electronmagneticloadsduringdisruption;ITER的主要运行参数和第一壁材料选取Component/armourmaterials/are8HT-7限制器的进一步改造课件9

聚变装置用炭基材料研究进展1970’s后期，PLT装置第一次使用石墨限制器起因：PLT采用NBI辅助加热系统；限制器：起初用W为限制器，但在高功率和低的等离子体密度情形下，获得了很高的边缘等离子体温度和功率密度，引发W的溅射，辐射损失大；改进：用石墨限制器替代了W限制器，结果获得了巨大成功。主要原因在于石墨材料属于低Z材料，辐射损失小；表面过热时只会升华，而不熔化。从此，炭材料成为核聚变装置中限制器和偏滤器设计时优先考虑的材料到80年代中期许多托卡马克装置在运行时都采用石墨限制器或偏滤器板与此同时，实验室中针对石墨材料的测试和模拟开始广泛进行，旨在阐明石墨与氢等离子体的化学反应炭的化学腐蚀和RES行为；中子辐照下炭材料的一些性能和结构变化；炭与氢的同位素的共沉积行为；目前炭材料仍然是世界范围内大型托卡马克的主要面对等离子体材料除了作为限制器和偏滤器，炭材料还在扩大其使用范围，如覆盖整个真空壁象TFTR，DIII-D，JT-60U，ToreSupra，ASDEX-U（现在在发展高Z的W）等采用全炭壁。低化学溅射，抗RES，高热通量炭基复合材料成为目前的研究重点炭材料内部改性（添加B，Si，Ti，V，Zr，Ni，W或其炭化物等）；表面涂层（B4C，SiC，TiC，W等）；高导热率石墨和CFC复合材料；石墨（CFC材料）和铜热沉的连接技术及其性能评价。聚变装置用炭基材料研究进展1970’s后期，PLT装置第一10

掺杂石墨在国外装置上的应用硼化石墨已经在TEXTOR和DIIID，W7-X等装置上获得成功应用。

问题：低的热导率是硼化石墨的主要缺点。俄罗斯牌号为RG-Ti的掺杂石墨在TEXTOR上用作限制器；

取得了一些结果，但是主要问题是RG-Ti材料内存在的杂质影响仍然比较明显；另外就是在热负荷达30MW/m2的情况下，材料表面温度高达2400℃，从而引发炭的大量升华。1994/1995年的一轮实验，将两块Ti掺杂石墨RG-Ti-91瓦片替代了石墨瓦片安装在ASDEX-U的偏滤器上，进行了实验。

结果：放电次数达670次，脉冲长度为2s。实验中观察到RG-Ti-91瓦片的安装对放电性能没有影响，也就是说，在等离子体中没有检测到其它杂质如Ti的存在。这两片瓦表面温升与其它的细晶粒石墨相比降低了2倍。实验后对样品的表面检测发现，一些炭被腐蚀，TiC晶体颗粒暴露在表面，这与实验室用离子束轰击后的结果是一致的。发展趋势：进一步提高掺杂石墨的热导值，抗溅射性能和中子辐照，今后高Z（添加SiC，TiC，ZrC，WC，V8C7等）等掺杂有可能成为发展方向；掺杂石墨在国外装置上的应用硼化石墨已经在TEXTOR和DI11

高导热CFC复合材料的研究CFC材料目前在装置上主要用作限制器和偏滤器板瓦

1.纤维的导热高（主要原因） 2.基体炭的导热（中间相沥青，CVI热解炭）高导热炭纤维

VGCF（气相生长炭纤维），据报道单丝热导值可达1960W/mK

高模量中间相沥青炭纤维高导热CFC复合材料

VGCF（气相生长炭纤维）是炭纤维中热导率最高的，由此而制成的CFC（纤维体积含量从28%~70%，基体炭是热解炭CVI制备）。制得的CFC热导率可达842W/m.K（密度1.69g/cc），910W/m.K(1.88g/cc)。这两种CFC的纤维体积含量为57%和70%。 沥青炭纤维：P-130纤维，约60%体积含量，密度2.1g/cc,纤维热导可达1100W/mk，CFC的热导率达851W/m.K，这种高模量炭纤维的成本大约为$3000/kg.发展趋向：高热导并趋于多维掺杂CFC（SiC)高导热CFC复合材料的研究CFC材料目前在装置上主要用作限12CFC/Cu-alloyjioningTechnologies:Cu-alloy/StainlessSteeljioningTechnologies:Heatsinkforms:

flat,saddle,monoblock...Jioningmethods:AMCTM,Brazing,e-beamwelding...HIP,frictionwelding,explosionbonding,diffusionbonding…TheperformanceofCu/SSjionts

islimitedbythepropertiesofCualloys,cracks,inducedbymechanicalorthermalfatiguepropagateintheCupartandnotintheSS.CFC/Cu-alloyjioningTechnolog13

碳基材料存在的问题及研究方向致命弱点：研究方向：

第一重要的就是再沉积碳层中的氚的去除（氘清洗、氧清洗和加热700K以上，或在-270K以下的低温）如果不能解决这个问题，CBM将被排除出PFM候选材料的行列；

进一步提高其抗CS性能和热导值；

中子辐照条件下的热物理和力学性能稳定性研究；其它。化学溅射（甚至低能氢、氧离子轰击<5eV）使PFC的使用寿命降低和等离子体芯部的杂质水平升高；中子辐照引起CBM的热物理和力学性能的快速衰变（特别是热导值较大幅度的降低）；再沉积碳层中高氚滞留量所导致的装置的经济性与安全运行问题。碳基材料存在的问题及研究方向致命弱点：第一重要的就是再沉14

随着对聚变研究的深入，轰击到PFC上的能流和粒子能量等边缘等离子体参数可以得到较好的控制。在这种情况下，高Z的钨以其高熔点、高物理溅射阈能和无化学溅射等优良性能而被重新确认为最有希望的候选PFM。从九十年代开始，AlcatorC-Mod，FTU，ASDEX-U，和TEXTOR等装置都开展了使用高Z材料作为PFM的实验研究。在TEXTOR限制器实验中发现：除高密度欧姆加热和喷氖而导致边缘冷却时出现过钨在等离子体中心的聚积外，NBI和ICRF等辅助加热手段均可有效地抑制钨在等离子体中的输运，这一结果显示高Z材料在等离子体中心的聚积可能不是与高Z材料的释放量有关，而是与其在等离子体中的输运有关；在ASDEX-U上使用钨作为偏滤器靶板材料，大多数次实验显示钨在主等离子体中的浓度保持在2×10-5Part/m3以下，此值低于聚变堆点火所能容忍的杂质水平。然而由于这些装置都是局部使用钨作为PFM，其它部位仍为CBM，结果在实验中发现等离子体中的主要杂质仍然是由于PSI而释放的碳杂质，钨瓦很快被再沉积的碳所覆盖而失去其作为PFM的好处。高Z的钨成为PFM研究的新亮点随着对聚变研究的深入，轰击到PFC上的能流和粒子15

钨作为PFM的主要优点Higherthresholdenergyofsputteringandlowsputteringyield;‘Promotedeposition’ofhighZatoms;Quitefavorablethermalmechanicalproperties

(even>100W/m.Kat15000C);Relativelyhighstrength,highestmeltingpointandlowvaporpressure;

Higherreflectioncoefficientforheatdeposition;钨作为PFM的主要优点Higherthreshold16

高Z的W的制备和改性研究Shortcomings:

poorductile(DBTT1500～4000C),heavymass,re-crystallization(11500C)(propertiesdependentonmetallurgicaltreatment-methodofproduction,machiningcondition,grainsize,temperatureofhistoryandimpurities.)Toavoidthere-crystallization(singlecrystalormakealloys)Bulktungsten

Pure-W

(sinteringtechnique,electronbeamorarc);

PW

(W-5Re;W-1%La2O3,W-Cu,W-Cu,W-Cu-Ni,W-Fe-Nietc.).

W-coatingmethods

CVDPVDVPSIPS高Z的W的制备和改性研究Shortcomings:poo17CBM表面上的W涂层成为研究热点CBM表面上的W涂层成为研究热点18ASDEX-U用W涂层（几十～550μm）石墨（1m25m2）作为覆盖内壁发现中心等离子体钨杂质含量并没有明显增加;石墨（CFC）表面W涂层作为偏滤器材料具有以下优点：偏滤器的运行环境：热负荷约为10~30MW/m2；粒子负荷约为高于1019/cm2s；低的等离子体温度小于50eV;可充分利用石墨或CFC材料的高热导及W材料的高的溅射域值;偏滤器磁场位形设计还可防止溅射出的W杂质返回到芯部等离子体;对于CFC和W,在高热负荷（1800MW/m2，1.5~2ms）等离子体破裂热冲击下的失重行为：失重和腐蚀坑及融化的面积随着材料的温度升高变大；CFC表面的火花：高温下要小于低温下，与失重不一致；CFC的失重随它的热导值增加而减小；相同热负荷下，W的失重要小于CFC。原因是两个方面：1，W由于可以反射一部分能量，所以它吸收的能量要小于CFC（70%）；2，W的蒸发和融化也吸收了部分能量。ASDEX-U用W涂层（几十～550μm）石墨（1m25m19W/Cu-alloyjioningTechnologies:Castinge-beamweldingCVDPSHIPDB(diffusionbonding)ThemaindifficultiesisthelargedifferencesinCTE

andelasticmodulusW/Cu-alloyjioning20

HT-7U装置的材料问题

第一壁材料：近期：一般负荷区：采用陶瓷组元掺杂石墨(常压)＋SiCcoatings,备选：“三高”石墨＋SiCcoatings;

较高负荷区：采用热压掺杂石墨或短纤维掺杂石墨

＋SiCcoatings;

高负荷区：继续发展热压石墨（能否使用？)

同时发展掺杂CFC(方向：2D－CFC掺杂SiC）中远期：发展高热导的掺杂CFC，并趋于向多维方向发展；研究Graphite+Wcoatings及W、Mo体材料及其涂层材料，发展原位钨化涂层技术等。HT-7U装置的材料问题21Thefabricationmethodsforcarbon/ceramiccompositesThefabricationmethodsforca22

第一次真正制得形状复杂的掺杂大块碳瓦，且在其上实现了均匀的SiC厚膜梯度涂层(百m以上)；实现了涂层前的碳瓦清洁处理，经多道彻底清洗后可以做到碳瓦手摸上去不黑手，在这方面具有与国外同样的水准；涂层后的碳瓦在我所烘烤到3000C和3500C后经质谱分析，其出气率指标较低，其真空性能能够满足要求，具有与国外各相同性细晶石墨同样的水准；可实现批量，这次是近七公斤，其工艺适于今后批量生产。配方是在参考国内外最新研究成果的基础上，经多次台面实验优选而出的；抗溅射性能优于纯石墨材料(如日本IG－430U)；热导率可达150W/m.K(室温下）以上；力学性能在一维方向接近俄罗斯产的MPG-8，在另一个方向稍差；有很好的抗热冲击性能，在约3MW/m2电子束热冲击情况下(30s），没有出现开裂现象；在模拟等离子体破裂情况下，失重情况可与国外碳石墨材料相比；真空性能有显著改善，与国外先进水平可比。热压石墨及SiC厚膜梯度涂层方面进展第一次真正制得形状复杂的掺杂大块碳瓦，且在其上实现了均匀的23

HT-7

ASIPPMainlimiterwasdesignedasawholecircularringinthepoloidaldirection;Aminorradiusis27cm,whichissmallerthanpreviousMolimiter28.5cm.TheLCFSwasdefinedbymainlimiter,whichwidentheSOLandprovidethegoodprotectionforstainlesssteellinerfromenergeticionsbombardment;Thetotalsurfaceareaiaabout0.3cm2,whenmediumheatingpowerwasappliedinHT-7(400kW，LHCD；200kW，RF;400kWOH),

Heatloadfluxisabout

2MW/m2.

HT-7ASIPPMainlimiterwas24

热压掺杂碳陶复合材料（高负荷区）继续从事热压工艺稳定性研究工作（约半年）；探索新配方，继续走提高现有性能这条路；

2000年冬季HT-7限制器用碳/陶复合材料的配方为：7-7.5%Ti，0.1-0.5%B，1-2%Si，该种配方所得的综合性能优越。

还有两种配方可制备高热导碳/陶复合材料：

7-7.5%Ti，0.1-0.2B%;2.5%左右的单组元掺Ti；基体材料：石墨粉＋生石油焦粉、煅烧焦粉、针状焦、或中间相沥青碳微球。

25

热沉材料及其它热沉材料:（既要考虑材料本身的性能:如力学性能、热导值及延脆性等，又要考虑可加工性能：如可加工性和焊接性能等)；不锈钢：其热导值一般在10～20W/m.K（好点在

30～40W/m.K）;铜合金：其热导值最高可达300多W/m.K（铍青铜、CuCrZr合金、DS-copperalloys、OFHC等）。HT-7U装置的热沉材料：

一般负荷区选用不锈钢或CuCrZr合金；高负荷区需选用CuCrZr合金；机械连接界面材料：柔性石墨、金属Mo片、OFHC垫片等。

26

常压工艺稳定性探索和最后定型

主要为HT-7U一般负荷区准备，热压虽可完全满足一般负荷区的的需要，但综合成本较高。配方优化同热压工艺：其工艺周期较长，一般需两个月以上；关键是要解决工艺稳定性问题：这部分工作有煤化所承担，ASIPP的工作是要积极配合并给予评价，即时反馈结果，建立关键问题即时协商解决机制。重点解决其开裂和提高其抗热冲击性能问题。

27

第一壁SiC涂层问题化学反应转化法制备SiC厚膜梯度涂层:

Si(liquid)+C(solid)→SiC(solid)

反应温度应在14100C以上进行。CVR法制备SiC厚膜梯度涂层:Si(gas)+C(solid)→SiC(solid)反应温度应在1500～16000CCVI法制备SiC厚膜梯度涂层:2C(solid)+SiO(gas)→SiC(solid)+CO(gas)↑

SiO的汽化温度为13000C。