HT-7U第一壁材料在HT-7装置中的辐照实验研究

把为HT 7U装置开发的系列碳基面对等离子体材料及其比对样品安装在样品架上 ,通过磁力传送机构送入HT 7装置刮削层中进行辐照实验研究。经过若干次等离子体放电实验后 ,取出样品进行表面形貌、表面元素成分及深度分布的X射线光电子能谱分析。结果发现 ,碳石墨材料的掺杂改性和抗等离子体溅射腐蚀的B4

HT-7U装置第一壁抗热冲击SiC厚膜涂层研究

为实现 HT－ 7U装置长脉冲运行的物理目标，在碳石墨第一壁材料的改性研究中和为保证在稳定的长平顶阶段对大部分杂质和再循环的控制，提出了研制抗等离子体溅射腐蚀的梯度功能涂层的概念。研究了通过化学气相转化 CVR和化学气相渗透 CVI 2种技术实现 SiC厚膜梯度涂层的方法，通过实验研究发现 CVI法实现的 SiC涂层有更厚、更致密、更好的梯度性和很好的抗热冲击等综合性能，适于作为 HT－ 7U装置第一壁高通量部件上的保护涂层。

聚变装置第一壁真空等离子喷涂B_4C涂层研究

Ｂ４ Ｃ 涂层提供了低 Ｚ（ 原子序数） 和稳定的耐熔表面。在不锈钢和铜合金基片上直接采用真空等离子喷涂法实现２００ μｍ ～３００ μｍ 厚的 Ｂ４ Ｃ 涂层， 是一种经济、快速且有效的第一壁制造工艺。通过对影响 Ｂ４ Ｃ 涂层质量的诸多工艺参数进行优化， 在温度和气氛可控的条件下实现抗热冲击性能良好的 Ｂ４ Ｃ 涂层。该涂层适于作为核聚变装置第一壁耐等离子冲刷的保护涂层。

La_2O_3弥散强化钨合金的组织性能研究

采用机械球磨的方法制备W-1%La2O3(质量分数,下同)复合粉体,将粉体在1823K烧结1h制备出La2O3增强钨合金。对材料的显微组织结构和力学性能进行分析,结果表明:显微组织均匀,氧化镧主要以微小的颗粒分布在钨-钨界面上,钨晶粒尺寸约为10μm～15μm;La2O3增强钨合金的抗弯强度值475MPa,在相同密度条件下,相对纯钨烧结体提高了35%。抗弯断口形貌表明,加入氧化镧颗粒后,钨合金的断裂方式发生了变化,由钨晶粒断裂为主转变为穿晶断裂和沿晶断裂的混合,同时分析讨论了氧化镧颗粒对合金组织性能的影响。

中国的超导托卡马克装置HT-7U用炭基面对等离子体材料的研究(英文)

聚变能作为一种潜在的替代能源 ,可以为将来提供清洁和无穷尽的能源供给 ,引起中国政府的高度重视。一项国家大科学工程“超导托卡马克HT 7U的建造”目前正在中国科学院合肥等离子体物理研究所实施。考虑到HT 7U将运行在高热负荷和近稳态的工作条件下 ,研究和选取面对等离子体候选材料就显得极为重要。中国科学院山西煤炭化学研究所和合肥等离子体物理研究所合作致力于HT 7U用炭基面对等离子体材料的研究和开发。本文主要介绍了聚变能的优点 ,有关聚变研究的一些基本概念如托卡马克 ,等离子体 ,面对等离子体材料 ,壁材料和等离子体间的相互作用行为等。给出了HT 7U用炭基面对等离子体材料的主要结果。

掺杂合金元素面向等离子体钨基材料的研究现状与发展趋势

钨基复合材料因其优良的性能逐渐取代碳基材料和铍等,成为最有可能应用于国际热核聚变实验堆中面向等离子体材料,但其存在低温脆性、再结晶脆化、辐照脆化和燃料粒子滞留等问题。目前,主要是从合金化、第二相颗粒弥散强化以及制备超细晶(UFG)/纳米晶钨基材料等方面来改善钨及其复合材料的性能。合金化是最常用的改善合金性能的手段之一,合金元素或扩散溶解于钨基体中,或作用于缺陷和杂质,改变钨基材料的组织结构从而提高其性能。综述主要介绍合金元素在钨合金中性能提升和作用机理,同时也指出合金元素改善钨合金性能方面存在的问题、可能的改善措施以及未来的发展趋势。

掺杂石墨作为面对等离子体材料的应用研究

用煅烧石油焦作填料、煤沥青作粘结剂和B4C、Si、Ti作添加剂,利用热压工艺制备了系列重结晶掺杂石墨,并通过化学气相反应法在掺杂石墨表面沉积了有梯度的SiC涂层。对掺杂石墨的热力学性能、微观结构及在HT-7装置的聚变环境中的行为进行了考察。结果表明:与纯石墨材料相比,掺杂了10%的B4C的重结晶石墨力学性能得到明显的改善,抗弯强度达104Mpa,但导热性能较差;掺杂了Si、Ti的重结晶石墨的热导率高,达314W.m-1.K-1,但力学性能较差;掺杂了BSTDG的石墨在聚变环境中的抗等离子体辐照能力明显提高;在HT-7装置中经过一轮实验的辐照后,SiC涂层厚度因等离子体的刻蚀由初期的40～50μm下降至5μm左右,且局部区域涂层剥落。

纳米TiC颗粒弥散增强超细晶钨基复合材料的组织结构与力学性能

采用高能球磨和热压烧结的方法成功制备了纳米TiC颗粒弥散增强超细晶W基复合材料,并对其组织结构、室温力学性能进行了研究。研究结果表明,当纳米TiC颗粒含量较小时,高能球磨可以使TiC颗粒均匀分散到W基体中,烧结后,TiC颗粒尺寸约100nm,当纳米TiC颗粒含量较高时,局部出现团聚现象;纳米TiC的加入强烈的阻碍了W晶粒的长大并使复合材料的断裂模式由沿晶断裂为主向穿晶断裂为主转变,提高了材料的力学性能;在TiC含量为1%(质量分数,下同)时,材料的致密度、维氏显微硬度、弹性模量、抗弯强度分别达到98.4%、4.33、396GPa、1065MPa。纳米TiC颗粒对复合材料的强化机制主要是细晶强化和晶界强化。

VPS-EBW法制备W/Cu功能梯度材料及热负荷实验研究

采用真空等离子体喷涂-电子束焊接法制备出核聚变面对等离子体W/Cu功能梯度材料,梯度材料中成分分布均匀、密度较高。电子束辐照热负荷实验发现:8MW/m2的热负荷条件下,样品可以承受20s的辐照;在2.5MW/m2,4.5MW/m2,6MW/m2的热负荷条件下,样品可分别承受26s,22s,20s的辐照而没有出现明显的损伤现象。样品疲劳实验也表现出很好的性能:8MW/m2,10s辐照,可以承受70周热疲劳;6MW/m2,20s辐照,在第90周裂纹开始形成;在2.5MW/m2,辐照时间为30s和4.5MW/m2,辐照时间为25s条件下,样品经过100周热疲劳实验均没有出现明显的损伤现象。对已出现裂纹的断面作X射线能量色散能谱(EDS)分析发现,由于焊料本身或者焊接时引入的杂质和虚焊,导致材料承受较高热负荷实验时的热应力迅速增大到破裂极限,使表面温度快速升高,而导致材料连接失效。

La_2O_3弥散增强钨合金面对等离子体材料及其高热负荷性能

本论文通过粉末冶金方法制备La2O3弥散增强钨合金面对等离子体材料并对其进行了组织性能和电子束热负荷性能的分析。结果显示La2O3弥散增强相抑制钨粒子长大效果显著,而且使W-1wt.%La2O3合金材料的抗弯强度提高了约35.7%。同时,W-1wt.%La2O3也表现出较好的热负荷性能,能够承受6MW/m2热负荷功率密度;在更高热负荷条件下,较高的表面温度导致La2O3出现熔化及W-1wt.%La2O3合金材料表面出现微裂纹等损伤,因此面对等离子体材料直接水冷对延长材料使用寿命和提高热负荷性能是十分重要的。

HT-7U石墨材料在HT-7超导托卡马克装置的先行实验

通过对 1种新型石墨材料进行等离子体轰击实验 ,近似计算出材料的热导率大约为 70W /m·K ,石墨可以承受高达 2 41MW/m2 的能流密度 (实验中最大值 )。模头位置及波加热条件下 ,石墨受等离子体轰击程度的不同 ,主要与轰击粒子能量有关。在等离子体能量梯度方向改变石墨位置比增加等离子体能量更易达到大的能流轰击。石墨材料的抗轰击能力及抗溅射能力都比较好 ,在长时间等离子体轰击情况下 ,由石墨材料产生的杂质足够低 ,不影响等离子体放电 。

W-TiC合金面对等离子体材料及其电子束热负荷实验研究

利用机械合金化方法制备各种W-TiC合金,并通过主要物理性能测试发现:TiC的引入能有效强化晶界,提高合金材料的力学性能,特别是W-1%TiC(质量分数,下同)合金,其相对密度、抗弯强度、维氏显微硬度和杨氏模量分别为98.4%、1065MPa、4.33和396GPa。同时电子束热负荷实验发现:在低于合金再结晶温度时,TiC能有效增强合金热负荷承受能力;然而较高的晶粒应变能导致合金材料在再结晶温度以上使用时,热负荷性能增强效果不明显。这些结果显示,约1%TiC弥散增强钨合金是较合适的托卡马克高热负荷面对等离子体材料。

W-Cu面对等离子体梯度热沉材料的制备和性能

采用粉末冶金法制备了W-Cu面对等离子体梯度热沉材料。对其显微组织、界面以及重要的热学、力学性能进行了研究。显微组织观察表明:截面成分呈梯度分布,并通过高温下元素的扩散,实现了组织的连续变化,层间没有明显界面;烧结后Cu形成了连续的网络结构,分布在W颗粒周围。W-Cu梯度材料的化学元素分布和热学、力学性能沿厚度方向呈梯度变化,材料整体的热导率达151.4 W.(m.K)-1。在800℃温差条件下,对材料分别进行抗热震和耐热疲劳实验。热震实验后,界面处未发现裂纹和开裂现象,表现出良好的抗热震性能。经过83次热循环冲击后,观察到了裂缝,并探讨了裂缝形成机制。

W-10%TiC复合材料的制备与力学性能研究

采用高能球磨手段制备了W-10%TiC(质量分数,下同)纳米复合粉体,并采用热压方法烧结成致密块体,研究了高能球磨、烧结温度、烧结时间及烧结压力对复合材料致密度和力学性能的影响。结果表明:高能球磨后,复合粉体的颗粒形状近似球形,粒径均匀,平均粒径为100nm,并且纳米复合粉体的烧结温度大大降低,其原因是粉体的颗粒细小、扩散系数高、表面能高等性质及球磨过程中少量Fe,Ni杂质的引入。对所制备纳米粉体而言,较合适的烧结工艺为:1700℃,30MPa压力下烧结60min,在此工艺条件下制备的复合材料的致密度达到98.4%,抗弯强度和断裂韧性分别达到:681MPa,6.24MPa·m1/2。

面向等离子体钨基材料的辐照损伤行为研究现状

解决人类能源问题的重要途径之一就是开发受热控核聚变能。在受热控核聚变反应堆装置中,钨作为优选最有前途的面向等离子体第一壁材料,具备这许多优良特性,如高熔点、高热导率、良好的高温强度等。然而钨基材料在离子中子辐照下会导致微观结构的改变,例如气泡、孔洞、纳米结构的形成。辐照还会导致材料硬化并使材料变脆。钨的辐照损伤问题是钨作为面向等离子体第一壁材料要重点解决的问题之一。通过改变材料的结构和成分设计可以改变钨的抗辐照性能。国内外许多研究人员对纯钨、碳化物掺杂钨、氧化物掺杂钨以及其他钨基材料的辐照损伤行为进行相关研究。对这些相关的研究进展和趋势进行综述。

钨基面对等离子体材料的制备和性能

利用等离子体喷涂技术和弥散增强粉末冶金方法制备钨基面对等离子体材料,并对其基本物理属性进行了分析,包括气孔率及其分布、硬度、抗弯强度、结合强度。同时,利用电子束实验装置对钨基复合材料高热负荷性能进行了研究。研究发现,VPS-W涂层能够承受10MW/m^2、100s的热负荷沉积,涂层开裂、分层是其失效原因;TiC和La2O3弥散相增强了钨基复合材料性能,在表面温度控制在1500℃以下可作为面对等离子体材料。

Tokamak第一壁上W/Cu材料的连接和界面应力的研究

重点讨论了适合于磁约束核聚变实验装置(Tokamak)第一壁上W/Cu复合材料连接的几种方法:电子束焊、钎焊、热等静压连接、烧结熔渗法、等离子体喷涂法,并列举了第一壁材料与热沉材料成功连接时电子束辐照热负荷实验的情况。探讨了在此连接方式下复合材料热负荷实验时应力求解方法和应力分布情况。

铜基体上等离子体喷涂钨涂层性能研究

介绍了铜基体上等离子喷涂1mm钨涂层核聚变试验装置壁材料的制备,并对真空和大气等离子体喷涂钨涂层性能进行了比较研究,内容主要包括微观形貌、气孔率、杂质含量、结合强度和热负荷性能。结果表明,气孔率和氧杂质含量差异是大气和真空等离子体喷涂钨涂层热负荷性能差异的主要原因。

La2O3-TiC／W复合材料组织结构与力学性能

采用真空热压烧结法制备La2O3-TiC/W复合材料,并对其组织结构和力学性能进行了研究。结果表明:在一定成分范围内,La2O3和TiC的加入提高了复合材料的力学性能,La2O3和TiC共同作用时的强化效果强于La2O3和TiC单独作用的强化效果,但La2O3-TiC/W复合材料的密度和相对密度随TiC含量的增加而下降,并进而影响硬度和弹性模量的提高,适量的La2O3有益于相对密度的提高;抗弯强度在1%La2O3-5%TiC/W成分含量时出现最大值901 MPa,而断裂韧性在成分含量为0.5%La2O3-10%TiC/W时出现最大值10.07 MPa.m1/2。本研究中,1%La2O3-5%TiC/W成分配比时具有较好的综合力学性能。La2O3-TiC/W复合材料的强化机制为细晶强化和载荷传递,韧化机制为细晶韧化、裂纹偏转和桥接。

铜基体上爆炸喷涂钨涂层及其电子束热负荷实验研究

详细介绍了爆炸喷涂法在铜基体上制备钨涂层。磁约束核聚变面对等离子体材料要求有承受较高热负荷的性能,电子束辐照热负荷实验发现:0.3 mm的钨涂层可以承受5.13 MW/m2的热通量;在2 MW/m2、20 s脉冲的条件下,样品能承受300周的疲劳而没出现破裂现象,且距离表面5 mm处铜基体的温度在70°C左右;5 MW/m2、2 s脉冲的条件下,样品可承受95周热疲劳,且距离表面5 mm处铜基体的温度不高于200°C。钨铜的热膨胀系数和杨氏模量相差很大,在加载热通量过程中,界面处产生应力,这将影响材料的耐热冲击性能,但爆炸喷涂仍然为制备核聚变较低热通量区域面对等离子体材料的一种参考方法。