聚变第一壁材料的研究进展与HT-7U第一壁材料研究

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1 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

2 聚变材料研究发展趋势 面临的任务： （1）开发高性能的新型材料； 聚变堆第一壁/包层候选材料（趋向于材料系统）：
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）： 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、BN etc.; 窗口材料 SiO2基光纤；石英晶体（远红外）、ZnSe 和光纤材料：（红外）、Fused silica（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、V etc.）； 低Z （CBM、CFC、Be etc）.;

3 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)
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

4 铜合金热沉材料的发展情况 CuCrZr DS-Cu(Glidcop Al25)
200C C C C C C 屈服强度/MPa 极限强度/MPa 总伸长率/% 热导率/W.m-1.K 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。

5 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); 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。

6 等离子体和壁相互作用问题 损伤机制： 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 偏滤器位形聚变装置中PMI过程示意图

7 未来聚变装置的主要特征和相关的PMI 问题
High energy content (several hundreds MJ vs. few MJ in current device) and power flow More intense disruptions and disruption-related damage effects; Require an effective reliable way to disperse the power to the divertor surfaces. Long pulse duration (few hundreds s vs. fews in current devices) require active cooling of PFCs and vessel structure and technique to pumping He ash ; Require effective control of plasma purity and PMIs to achieve high plasma performance. High duty factor (3%～10%) or pulse repetition rate Short time for wall conditioning and tritium recovery from co-deposited films; Remote maintenance with acceptable shot-down times. Long cumulative run time The erosion lifetime (needs to be replaced several times); Tritium retention and dust (safety problems); Neutron damages effects in the bulk surrounding materials and structures; PFM surfaces will be modified by mixing effects; Routine operation with large amount of tritium; Superconducting magnet technology; Fast remote maintenance for repair/ refurbishment of the in-vessel components and some of ex-vessel components; 8) Safety:

8 ITER的主要运行参数和第一壁材料选取 Component/armour materials/area/ main design loads
Peak heat flux Particle flux Energy Fast neutron (MW/m-2) (DT. m-2.s-1) (eV) (n. m-2.s-1) Fast-wall/Be-1000｛680｝(m2) ≤2.3×1018 — charge-exchange neutrals (E<100eV)； ｛≤ 1.3 ×1018 ｝ — Radiative power from bremsstralung ； — localised thermal, particle and electronmagnetic loads during disruption,VDE, runaway electrons. Start-up limiter/Be～10 (m2) — direct plasma interaction and high thermal ～ ≤2.3×1018 during start-up and shut-down ｛≤ 1.3 ×1018 ｝ Divertor target (strike-points) C～75 ｛55｝ (m2) — high thermal power and flux of particles; < < ×1017 — deposition of energy during disruption,ELMs; (plasma temp. ) ｛2-3 ×1017 ｝ — electronmagnetic loads during disruptions. Divertor baffle/W ～200｛50｝ (m2) > ≤2×1018 — charge-exchange neutrals (E<100eV)； (plasma temp.) ｛1 ×1018｝ — direct interaction with SOL plasma; — radiation power from X-point (e.g., MARFEs); — possible deposition of energy during ELMs; — radiated energy during VDE; — electronmagnetic loads during disruption; Divertor Dome /W ～85｛30｝ (m2) > ≤1.1×1018 — charge-exchange neutrals (E<100eV)； (plasma temp.) ｛9 ×1017｝ — radiation power from X-point (e.g., MARFEs); — radiated energy during VDE; — electronmagnetic loads during disruption;

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10 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 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
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，Tore Supra，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。

11 掺杂石墨在国外装置上的应用 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
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；

12 高导热CFC复合材料的研究 发展趋向：高热导并趋于多维掺杂CFC（SiC) 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)

13 CFC/Cu-alloy jioning Technologies:
Heat sink forms: flat, saddle, monoblock... Jioning methods: AMCTM, Brazing, e-beam welding ... Cu-alloy/Stainless Steel jioning Technologies: HIP, friction welding, explosion bonding, diffusion bonding … The performance of Cu/SS jionts is limited by the properties of Cu alloys, cracks, induced by mechanical or thermal fatigue propagate in the Cu part and not in the SS.

14 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
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。 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。

15 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，Alcator C-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。

16 钨作为PFM的主要优点 Higher threshold energy of sputtering and low sputtering
yield; ‘Promote deposition’ of high Z atoms; Quite favorable thermal mechanical properties (even >100W/m.K at 15000C); Relatively high strength, highest melting point and low vapor pressure; Higher reflection coefficient for heat deposition;

17 高Z的W的制备和改性研究 Bulk tungsten
Shortcomings: poor ductile (DBTT 1500～4000C), heavy mass, re-crystallization (11500C) ( properties dependent on metallurgical treatment-method of production, machining condition, grain size, temperature of history and impurities.) To avoid the re-crystallization (single crystal or make alloys) Bulk tungsten Pure-W ( sintering technique ,electron beam or arc); PW (W-5Re; W-1%La2O3, W-Cu, W-Cu, W-Cu-Ni, W-Fe-Ni etc.). W-coating methods CVD PVD VPS IPS

18 CBM表面上的W涂层成为研究热点

19 ASDEX-U用W涂层（几十～550μm）石墨（1m25m2）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。

20 W/Cu-alloy jioning Technologies:
Casting e-beam welding CVD PS HIP DB (diffusion bonding) The main difficulties is the large differences in CTE and elastic modulus

21 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) ＋SiC
coatings, 备选：“三高”石墨＋SiC coatings ; 较高负荷区：采用热压掺杂石墨或短纤维掺杂石墨 ＋SiC coatings; 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+W coatings及W、Mo体材料及其涂 层材料，发展原位钨化涂层技术等。

22 The fabrication methods for carbon/ceramic composites

23 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。

24 ASIPP HT-7 Main limiter was designed as a whole circular ring in the poloidal direction; A minor radius is 27cm, which is smaller than previous Mo limiter 28.5cm. The LCFS was defined by main limiter, which widen the SOL and provide the good protection for stainless steel liner from energetic ions bombardment; The total surface area ia about 0.3 cm2, when medium heating power was applied in HT-7 (400kW，LHCD；200kW，RF; 400kW OH), Heat load flux is about 2MW/m2 .

25 热压掺杂碳陶复合材料（高负荷区） 2000年冬季HT-7限制器用碳/陶复合材料的配方为：7-7.5%Ti，
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， %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， B%; 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。

26 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-copper alloys、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。

27 常压工艺稳定性探索和最后定型 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：
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。

28 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1500～16000C CVI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。

29 图3. 碳基体上的SiC涂层系统示意

30 碳基体SiC涂层断面Si成份分布X射线成像和概念模型

31 HT-7U装置第一壁涂层系统设计 在几种SiC涂层中，CVR法实现SiC涂层的梯度和致密性要明显好于液态Si反应转化所得到的涂层，但低于CVI法；同时CVD实现的SiC涂层最为致密,但其梯度性较差。 一般负荷区： 采用CVR法实现的SiC涂层，该种涂层厚度可达百μm量级，其特点主要是易于实现，涂层的质量因晶粒粗大等，质量稍差，但适合大面积。 高负荷区: 可采用CVI方法实现的B4C厚膜梯度涂层和通过CVI和CVD两种方法实现的复合涂层SiC-SiC/C，如稍降低要求，则CVI法实现的SiC厚膜梯度涂层也可满足要求。

32 建立HT-7装置中材料实验站问题 HT-7正在积极向国际化大装置迈进的过程中，李建刚老师已在积极筹划其进一步的改造工作，为抓住这一难得的机会，在HT-7装置的进一步改进中，考虑材料实验站的问题。 Test limiter加上必要的诊断就是一个很好的材料试验站，不仅 TEXTOR装置这么做，象DIII－D偏滤器诊断上就有这样的材料试验 送样和分析机构。改造中想将Test limiter考虑在进一步改造计划中， 以前的送样结构中缺少对材料的诊断，如温度、光谱、摄像机初步 成像和Ha等诊断措施，只能靠取出后的肉眼观察和其它分析，缺少 对其在等离子体中的环境行为评价。

33 The ability to study the science of plasma interaction with materials is provided by the DIII-D divertor material evaluation system (DiMES)

34 Schematic view of the test limiter in TEXTOR’94 device

35 测试平台在材料评价方面的主要工作 对于热压掺杂石墨： 对其能否应用在高负荷区提供评价； 对于常压掺杂石墨：
主要侧重于抗热冲击、真空性能及高温下的放气行为等提供综合性评价； 对于涂层系统： 在为HT-7U第一壁高通量部件上发展的SiC（B4C）厚膜保护涂层能否与基体紧密接触、能否经受得住强热冲击、其寿命如何？为此开展的实验室评价也是必不可少的。 对于进一步的PFM研究