[发明专利]具有网格结构的钨涂层第一壁部件

说明书

技术领域

本发明涉及核聚变反应堆第一壁部件，具体内容是将第一壁的铜或低活化钢基体划分为 网格结构的单元再在其表面真空等离子体喷涂钨涂层。

背景技术

在核聚变装置中，钨(W)由于具有高熔点、较低的溅射率、较高的溅射能量阈值、不与氢 同位素反应等优点而被认为是最适合的第一壁材料。在国际热核聚变试验堆ITER的氘-氚反 应运行阶段，钨将是第一壁与启动限制器的首选材料。

钨与基体的连接工艺包括浇铸(Casting)、钎焊(Brazing)、热等静压(Hot Isostatic Pressing， HIP)、物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)、化学气相沉积(Chemical Vapor  Deposition，CVD)、等离子体喷涂(Plasma Spraying，PS)等。其中，真空等离子体喷涂(Vacuum  Plasma Spraying，VPS)技术克服了钨材料难以加工的特点，提供了高热流密度(7～10MW/m²) 下钨与基体材料的可靠连接，而且制备工艺简单，是聚变装置第一壁部件可选的制备方法。

由于钨、铜两种材料的热容、膨胀系数及杨氏模量等参数有很大差异，且聚变装置内部 第一壁部件承受的热负荷极大，钨涂层经过高密度等离子体轰击后可能出现裂纹。同时，喷 涂工艺本身的缺点造成涂层中出现孔隙，氢同位素滞留于孔隙会导致涂层的起皮、起皮。这 些都是钨涂层第一壁材料可能的失效形式。当前的钨-铜或(钨-低活化钢)第一壁部件通 常将钨材料直接喷涂于大块热沉上，出现局部裂纹后极有可能扩展到涂层的其他位置，造成 大面积涂层的失效，这对于聚变堆稳态运行是极为不利的。

发明内容

本发明提供一种具有网格结构的钨涂层第一壁部件，该钨涂层第一壁部件能承受大热流 冲击，可用于长脉冲、大功率的聚变装置中。

本发明技术方案如下：

具有网格结构的钨涂层第一壁部件，其特征在于：第一壁部件的热沉内部具有冷却管道， 其面对等离子体一面刻有网格状槽，其表面喷涂有钨涂层，钨涂层作为面对等离子体材料。

所述的第一壁部件的热沉材质为铜合金或低活化钢。

所述的槽的剖面形状为V型槽或梯形槽，梯形槽或V型槽侧面与热沉表面、梯形槽侧面 与槽底面相交处、V型槽底部均采用圆弧过渡。

本发明采用真空等离子体喷涂的方式在热沉表面喷涂厚钨涂层，钨涂层的厚度为 1mm～2mm。

网格状槽，将热沉表面分割成多个独立单元；槽的剖面形状为V型或U形，使其侧壁面 与聚变装置磁力线成小角度。

热沉表面形貌表现为网格状，凹槽处平滑过渡，没有明显的棱边与棱角。

在第一壁部件基体刻上特殊设计的槽将钨材料喷涂于其表面，使第一壁部件表面自然形 成独立的网格状小单元。该设计将失效限制在一定的范围内，使局部的失效不影响整块热沉 的使用，同时也大大降低了涂层表面的热应力。槽侧壁与聚变装置磁力线成较小角度，防止 等离子体沿着磁力线直接轰击。槽与壁表面过渡线条都使用圆弧过渡，缓解部件应力集中效 应。

本发明工艺简单、可靠，可用于长脉冲、大功率的聚变装置中。

附图说明

附图为本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图，本发明包括第一壁热沉板1、网格结构槽2、钨涂层3、冷却管道4，其中网格状 U或V形槽2刻于第一壁热沉板1表面。网格状U或V形槽2的宽度、深度以及间距可根据 热流密度及冷却能力进行调整。冷却管道4的直径与走向可以根据热沉大小及其在聚变装置 中的位置进行调整。

网格状U或V形槽2刻好以后，将热沉整体进行真空等离子体喷涂，使钨涂层3紧密结 合在第一壁热沉板1上。