((聚变堆中面向等离子体材料的研究进展

1、118科技创新导报 ScienceandTechnologyInnovationHerald2010NO.03化学工业科技创新导报 由于能源对经济的发展起着决定性的 作用 , 近 年 来 , 能 源 问 题 一 直 是 世 界 各 国 关 注的焦点。 按人类目前的能源消耗速度 , 传 统 能 源 在 不 久 的 将 来 就 会 枯 竭 , 因 此 对 新 能 源 的 研 发 无 疑 是 一 个 热 门 的 研 究 领 域 。 在新能源的研究中聚变能得到了世界各国 的 重 视 ,ITER 就 是 通 过 国 际 合 作 加 快 核 聚 变 研 究 开 发 的 一 个 重 要 标 志 。 在 核

2、聚 变 的 研 究 中 , 大 量 的 科 研 工 作 者 对 聚 变 堆 面 向 等 离 子 体 材 料 (Plasma Facing Materials, PFMs 进 行 了 广 泛 的 研 究 并 取 得 了 一 定 的 成 果 。目前制备面向等离子体材料比较成熟 的 技 术 有 :超 高 压 通 电 烧 结 法 、 原 位 生 成 法、 化 学 气 相 沉 积 法 、 物 理 气 相 沉 积 法 、 反 应 -烧 结 法 、 等 离 子 体 喷 涂 法 等 1。在 核 聚 变 堆 中 面 向 等 离 子 体 材 料 是 一 个 非 常 重 要 的 材 料 , 它 关 系 到 反 应

3、堆 中 等 离 子 体 的 稳 定 性 、 第 一 壁 结 构 材 料 和 元 件 免 受 等 离 子 体 轰 击 损 伤 等 问 题 。 它 的 主 要 功 能 就 是 : 有 效 的 控 制 进 入 等 离 子 体 的 杂 质 ; 有 效 的 传 递 辐 射 到 材 料 表 面 的 热 量 ; 保 护 非 正 常 停 堆 时 其 他 部 件 受 等 离 子 体 轰 击 而 损 坏 2。 因 此 , 对 面 向 等 离 子 材 料 的 总 体 要 求 是 耐 高 温 、 低 溅 射 、 低 氢 滞 留 及 与 结 构 材 料 相 兼 容 等 。面 向 等 离 子 体 材 料 中 , 一 般

4、分 为 两 种 材 料 :低 Z(原 子 序 数 材 料 和 高 Z 材 料 。 低 Z 材料有石墨、 硼、 锂、 铍等 , 高 Z 材料有钼、 钨 等 。 对 于 高 Z 材 料 , 由 于 担 心 反 应 时 会 带 来 杂 质 , 在 实 际 托 卡 马 克 试 验 和 其 他 形 式 的 核 聚 变 反 应 试 验 中 应 用 较 少 。 在 过 去 几 十 年 的 核 聚 变 研 究 中 , 几 乎 所 有 的 核 聚 变 装 置 都 使 用 了 低 Z 材 料 作 为 面 向 等 离 子 体 材 料 , 但 是 考 虑 到 要 长 期 存 储 放 射 性 氚 , 因此 目前对于 P

5、FMs 的安全、 寿命等都提出了更 高的要求 3。目前面向等离子体材料研究的热点主 要 有 钨 、 碳 基 材 料 (石 墨 ,C/C复 合 材 料 , 铍 、 钼 、 碳 化 硅 和 碳 化 硼 等 , 因 此 本 文 着 重 简介以上的几种材料。1 面向等离子体材料的研究现状1. 1钨材料钨与核聚变中等离子体良好的兼容性 已 经 得 到 证 实 45, 同 时 钨 具 有 高 熔 点 、 不 与 氚 发 生 共 沉 积 和 低 腐 蚀 率 等 特 点 , 因 此 钨 被 选 为 面 向 等 离 子 材 料 , 但 W 主 要 的 缺 点 是 高 的 DBTT, 大约 400 左 右 , 同

6、 时 加 工 困 难 。 钨 涂 层 作 为 面 向 等 离 子 体 材 料 已 经 成功应用于 ASDEX -Upgrade 装置中 , 涂层 覆盖率达到 65%67, 实验表明第一壁和偏 虑器表面大部分覆盖钨对于等离子的运行是 可行的。 一个全钨的偏滤器装置已经在 JET 的 ILW(ITER-like wall 计划中实施 , 并作为 ITER 的备选方案之一 89, 低活化钢上制备钨涂层 在 ITER 中已经开始得到研究 1011。 因此 , 从 目前的研究来看钨显示出最有前景的面向 等 离 子 体 材 料 。在 制 备 钨 涂 层 时 , 一 般 都 采 用 物 理 气 相 沉 积

7、、 化 学 气 相 沉 积 和 等 离 子 喷 涂 等 技 术 , 等离子喷涂又包括真空等离子喷涂、 大 气等离子喷涂、 惰性气体等离子喷涂。 真空 等 离 子 喷 涂 由 于 制 备 出 的 涂 层 密 度 高 、 纯 度 高 因 此 成 了 等 离 子 喷 涂 的 主 流 12。 通 过 物理气相沉积制备钨涂层时由于钨涂层结 合 力 差 且 纯 度 不 高 , 因 此 它 通 常 和 其 他 的 喷涂技术相结合在一起来制备钨涂层 13。 化 学气相沉积在制备钨涂层时虽然沉积速度 慢 、 成 本 高 , 但 涂 层 的 质 量 和 性 能 好 , 日 本 等国仍然在大量研究 14。1. 2碳

8、材料碳 材 料 是 一 种 已 长 期 使 用 的 低 Z 面 向 等 离 子 体 材 料 , 它 具 有 极 好 的 抗 热 冲 击 能 力 并 且 与 等 离 子 体 有 良 好 的 相 容 性 。 但它 在 400800之间具有较高的化学溅射率 , 这 不 仅 侵 蚀 了 碳 材 料 本 身 , 而 且 将 大 量 碳 原子引入等离子体 , 使等离子体品质下降。作 为 面 向 等 离 子 体 材 料 , 高 性 能 的 石 墨和 C/C复 合 材 料 经 受 住 了 聚 变 实 验 装 置 实 际 运 行 的 考 验 , 并 且 证 明 了 这 些 材 料 的 可行性。 在这些应用中 ,

9、 已经发现一般的纯 碳石墨材料存在一些缺点 :氚存贮量高、 化 学溅射和辐射增强升华损失大以及机械强度 较 低 等 。 为 克 服 碳 石 墨 材 料 这 些 缺 点 , 美、 英、 日等国在碳石墨材料的改性研究方 面 开 展 了 大 量 的 工 作 1618, 主 要 采 用 陶 瓷 粒子均质弥散法、 新型碳 /陶复合材料等方 法 。在 ITER 中 , 等 离 子 体 破 裂 和 慢 瞬 态 过 程 对 护 甲 材 料 引 起 了 极 高 的 热 负 荷 , 因 而 具 有 高 热 导 率 (20 时 为 300W/mK,800 时 为 145W/mK碳 纤 维 复 合 材 料 (CFC作

10、 为 面 向 等 离 子 体 材 料 是 非 常 适 用 的 20。 在 与等离子体直接接触的区域如偏滤器垂直 靶 和 收 集 板 只 能 使 用 CFC, 原 因 是 在 高 功 率 运 行 条 件 (慢 瞬 态 和 破 裂 下 CFC 不 会 熔 化 , 因 而 它 有 更 高 的 剥 蚀 寿 命 和 在 高 热 流 密度下有更好的热力学性能 21, 因此 CFC 复 合材料将会得到更加深入的研究。 1. 3铍材料铍是低 Z 材料它热导率高、 对氧亲和力 高 且 与 氢 没 有 相 互 作 用 等 特 点 , 使 得 它 被 选为 ITER 中面向等离子体材料。 在氚增殖 包层中 , 它被

11、选为中子倍增材料。 铍的熔化 温度低 (1284 、 蒸汽压高、 物理溅射产额 高等缺点又限制了它的使用 22, 并且它的抗 热 冲 击 性 能 也 是 一 个 备 受 关 注 的 问 题 。 不 仅 如 此 铍 还 有 毒 , 据 计 算 每 一 立 方 米 的 空 气 中 只 要 有 一 毫 克 铍 的 粉 尘 , 就 会 使 人 染 上 铍 肺 病 , 但 通 过 一 些 技 术 上 的 处 理 中 毒 还 是 可 以 避 免 的 。自从铍在欧洲联合环 (JET中使用并取 得成功后 , 铍作为一种低 Z 面向等离子材料 广受关注。 钱蓉晖学者 23就用高功率扫描电 子束加热模拟聚变装置中

12、的高热负荷对铍 材 料 的 热 冲 击 实 验 , 提 出 了 一 些 有 关 热 冲 击 后 的 性 能 分 析 :铍 样 品 在 输 入 能 量 超 过 2MJ/m2时 开 始 出 现 明 显 熔 化 ; 在 9.6MJ/m2热冲击能量密度以内形成的烧蚀坑深度不 超 过 150m, 并 且 材 料 因 升 华 和 飞 溅 有 微 量 失 重 ; 在 10MJ/m2热 冲 击 能 量 密 度 以 内 , 铍材的材料失重率不超过 40g/mm2, 并且 材料内部及表面有微裂纹形成。在 ITER 中 , 铍 在 低 辐 照 温 度 下 (低 于基金项目 :ITER973项目中国低活化钢 (CLA

13、M若干关键科学问题研究 (2008CB717802。聚变堆中面向等离子体材料的研究进展 张小锋 1 刘维良 1,2 郭双全 2,3 姜林文 1(1.景德镇陶瓷学院材料与工程学院 江西景德镇 333001; 2. 北京科技大学核材料研究所 北京 100083;3. 西南交通大学材料科学与工程学院 成都 610031摘 要 :综述了面向等离子体材料的制备工艺和性能特点 , 对钨、 碳、 铍、 钼、 碳化硅和碳化硼材料的国内外研究现状进行了讨论 , 并提 出了面向等离子体材料研究的发展趋势。 关键词 :面向等离子体材料 涂层 核聚变 中 图 分 类 号 :TL627文 献 标 识 码 :A文 章 编

14、 号 :1674-098X(201001(c-0118-02化学工业2010NO.03科技创新导报300 变脆 , 铍的低温脆性可能导致铍的脆 性破坏 , 并影响瞬态过程中铍的热剥蚀。 为 了 解 决 此 问 题 , 英 国 学 者 V.Thompson 24做 了 一 系 列 的 研 究 , 并 指 出 在 使 用 铍 时 不 能 包 含 可 形 成 裂 纹 的 临 界 尺 寸 的 缺 陷 。 近年 来 国 内 外 学 者 对 铍 进 行 了 广 泛 的 研 究 , 这 些研究为 ITER 计划中面向等离子材料对铍 的研究奠定了一定基础。1. 4钼材料钼 及 其 合 金 具 有 熔 点 高

15、、 抗 等 离 子 体 冲 刷 能 力 强 、 溅 射 产 额 低 、 高 温 强 度 高 、 热 导 率 高 等 优 点 , 并 且 热 膨 胀 系 数 和 W 、 C 比 较 接 近 , 因 此 被 提 出 作 为 聚 变 堆 面 向 等 离 子体的候选材料 25。 钼及其合金最重要的问 题是再结晶和辐照引起的脆性等问题。 与 其 它 的 涂 层 相 比 , 国 内 对 铜 基 体 上 喷 涂 钼 涂 层 的 研 究 较 少 , 鉴 于 钼 及 其 钼 合 金涂层优异的性能以及将来在商业化聚变 堆中的应用前景 , 姚伟志等人 26对其展开了 相关的研究。 该实验制备了不同中间层 (如 引入

16、中间层 NiCrAl 和 CuAl 的钼基涂层 , 研 究 了 不 同 界 面 对 结 合 强 度 的 影 响 , 通 过 循 环淬火实验表明中间层的加入可以提高涂 层 的 抗 热 震 性 能 ; 脉 冲 激 光 束 模 拟 高 热 负 荷冲击实验结果表明 :所有的钼涂层在 198 MW/m2的 热 流 密 度 下 不 发 生 脱 落 , 涂 层 具 有 较 好 的 抗 热 冲 击 性 能 。 钼 在 激 光 辐 照 下 晶 粒 有 细 化 趋 势 , 这 将 会 增 加 涂 层 的 韧 性 , 阻 缓 裂 纹 的 扩 展 , 这 有 助 于 金 属 钼 作 为 面 向等离子材料的应用。1.

17、5碳化硅材料SiC 材 料 用 于 面 向 等 离 子 体 有 一 系 列 的优点 :良好的高温热导性、 耐腐蚀、 低密度 , 特别是其辐照后的低感生放射性 , 因此它得 到很多学者的关注 29。 学者凌云汉等人 30采用 超高压 梯 度 烧 结 法 制 备 了 成 分 分 布 从 0 100%的接近理论密度的 SiC/Cu面向等离子 体 功 能 梯 度 材 料 , 铜 的 热 导 性 和 塑 性 较 好 , 且没有氢脆 , 因此该梯度材料结合了 SiC 和 Cu 两种材料的优良性能。 在 研 究 中 当 梯 度 材 料 在 398MW/m2的 激 光 热 冲 击 250次 时 , 陶 瓷 表

18、 面 没 有 出 现 环 形 和 径 向 裂 纹 , 但 激 光束斑内出现了部分 SiC 分解现象。 在等离 子体边缘能量为 100200eV 放电辐照 60次 ×1.2s 下 时 ,SiC/Cu梯 度 材 料 的 表 面 没 有 出 现 明 显 的 辐 照 损 伤 裂 纹 , 这 些 实 验 结 果 对其他的 SiC 材料研究有一定的指导意义。 近年来出现的 SiC/SiC复合材料由于其 独特的性能而得到各个国家的广泛研究如 日本、 美国、 欧洲等 3133。 SiC/SiC复合材料 具 有 一 系 列 优 点 如 优 良 的 高 温 力 学 性 能 、 耐 腐 蚀 、 密 度 低

19、 , 特 别 是 其 辐 照 后 的 低 活 性 , 也 成 为 PFMs 的 候 选 材 料 , 但 是 在 提 高 其热导率、 可加工性 , 降低其制作成本等方面 还 需 要 做 大 量 的 工 作 , 并 且 最 高 允 许 的运 行 温 度 也 只 在 1100 左 右 。 聚 变 堆 运 行时 第 一 壁 受 到 很 高 的 热 通 量 和 中 子 壁 负载 , 为 了 降 低 其 热 负 载 和 机 械 应 力 , 学 者HE Kaihui 和 Satoshi NISHIO 34对 此 进 行了一些研究 , 他们通过选取各种几何位形和材料敏感特性参数 , 用有限元分析法对此进行了大

20、量的热工计算 , 以最高温度、 最大热应 力 为 基 础 建 立 了 包 层 /第 一 壁 设 计 窗 口 ,计 算 结 果 表 明 :当 热 导 率 为 20W/mK时 , 很难在材料所允许的范围内找到适合的设计 ,只 有 材 料 的 热 导 率 增 加 到 50W/mK时 , 才能 够 找 到 较 为 满 意 的 设 计 窗 口 。 因 此 在 以后 的 工 作 中 研 究 高 热 导 的 SiC/SiC复 合 材料势在必行。 不过 , 如果能够进一步改善等离 子 体 的 性 能 , 适 当 降 低 第 一 壁 热 通 量 , 该材 料 对 设 计 的 要 求 会 大 大 降 低 , 因

21、此 它 也是一个非常具有前途的面向等离子材料。1. 6碳化硼材料B4C 的耐热性、 抗热冲击性、 导热性和热 膨 胀 系 数 都 较 好 , 而 且 耐 氢 冲 刷 性 能 也相 当 好 , 化 学 物 理 溅 射 产 额 及 辐 照 的 升 华均低于 C/C复合材料 , 适合作 PFMs 材料 35。作 为 PFMs 的 候 选 材 料 有 不 少 学 者 对 它 进行 了 大 量 工 作 , 主 要 集 中 在 涂 层 技 术 上 , 但是由于 B4C 有吸收热中子的性质 , 在将来有中 子 出 现 的 核 聚 变 装 置 中 , 其 使 用 将 受 到限 制 , 但 这 一 约 束 条

22、件 将 会 随 着 技 术 的 发展 而 得 到 解 决 。对 B4C 材料 , 李云凯等人 36就 B4C 作为PFMs 的 一 些 性 质 做 了 研 究 , 它 们 利 用 常 压等 离 子 喷 涂 方 法 制 备 了 B4C 涂 层 , 该 涂 层在 25 的 条 件 下 热 导 率 为 18.6W/mK,在100 的 条 件 下 热 导 率 为 16.5W/mK。 在 热冲 击 方 面 该 梯 度 涂 层 能 耐 住 250次 的 热 冲击而不出现明显的裂纹 , 当到达 280次热冲击时 , 该 涂 层 才 出 现 了 裂 纹 , 有 些 裂 纹 在 电子 束 斑 内 , 有 些 在

23、 束 斑 外 。 除 了 裂 纹 以 外 ,热冲击还使 B4C 涂层的显微结构发生了变化 , 在热冲击后束斑内及其附近的 B4C 颗粒变小 , 有 些 甚 至 形 成 长 带 熔 化 , 其 原 因 是 束斑附近的 B4C 颗粒被烧蚀进而变小了 , 并且在束斑内的 B4C 颗粒由于高温发生熔化而形 成 一 条 长 带 。 在 化 学 溅 射 方 面 它 的 溅 射峰 值 向 低 温 偏 移 , 其 峰 值 仅 为 SMF-800石墨峰值的 17%,B4C涂层的热解吸峰向低温偏 移 且 CH4产 额 比 SMF-800石 墨 低 。在制备 B4C 系涂层时 , 一般都是以金属为基体 , 而 B4

24、C 的物理性质与基体金属的物理性能相差很大 , 尤其是热学性能方面 , 因此在涂层与基体之间很容易产生热应力而导致涂层剥落。 基于以上原因一些学者如周张健等人 37采用了梯度材料 (FGM的设计思想作 为缓和热应力的方法 , 利用大气等离子喷涂 技术分别制备了成分分布指数为 p=0.2、 1、 2的 B4C/Cu梯度涂层 , 涂 层 的 厚 度 可 达 1mm, 实验结果显示 :当 p=1的涂层具有最好的抗 热 震 性 , 能 够 在 平 均 6.4MW/m2的 条 件 下 经受 1000次冲击而没有发生明显的破坏 . 这 些研究为碳化硼的研究起了一个很好的铺 垫作用 , 同时 B4C 涂层具有较强的抗化学溅 射 能 力 , 在 将 来 很 有 可 能 会 取 代 纯 石 墨 作 为 PFC 的 理 想 材 料 。2 面向等离子体材料的展望到目前为止国内外学者对面向等离子 材 料 进 行 了 广 泛 而 深 入 的 研 究 , 在 原 有 的 基 础 上 不 断 创 新 。 在 过 去 的 几 十 年 里 多 数 学者对低 Z 材料研究较多 , 而随着科学技术 的发展 , 近年来高 Z 材料也慢慢地得到了国 内外学者的