[实用新型]一种用于聚变反应堆的具有阻氚功能的第一壁

说明书

本实用新型属于聚变反应堆技术，具体涉及一种用于聚变反应堆的具有阻氚功能的第一壁。包括沉积层、中间层和基底，沉积层为钨涂层，直接接触等离子体，中间层为阻氚涂层，位于沉积层和基底之间。用钨涂层取代钨块，满足第一壁工况要求和使用寿命要求且提高了第一壁结构的重量和经济性。显著降低等离子体运行过程中的感应电流及相应的电磁载荷，既能够满足聚变反应堆中第一壁的苛刻工况要求，又减小了第一壁部件中氚滞留量，从而提高了聚变反应堆氚循环效率，降低了氚增殖和氚供给的需求。

技术领域

本实用新型属于聚变反应堆技术，具体涉及一种具有阻氚功能的第一壁。

背景技术

在一个聚变反应堆中，等离子体必须能够持续燃烧相当长的一段时间，真空室内直接面对这些高温等离子体的部件被称为面对等离子体部件(PFC)，这些部件包括第一壁和偏滤器。由于它们直接面对高温等离子体，因此涉及到耐高热负荷性能、溅射腐蚀、氢及其同位素的滞留、中子辐照效应等重要问题。在聚变反应堆中，第一壁作为保护反应堆真空室内壁免受高温等离子体直接辐照的屏障，是聚变反应堆中运行条件最苛刻、也最关键的部件之一。当等离子体作用于部件的表面时，由于辐射和等离子体辐照，第一壁会承受稳态和瞬态的高热负荷，同时会造成材料表面腐蚀和改性，并驱动氘、氚燃料渗透到第一壁部件的内部，造成燃料的损失。中子辐照则作用于整体，对面向等离子体部件造成损伤，导致材料性能退化，使化学成份、形貌、微观组织和热机械性能被显著改变。中子辐照所产生的离位损伤还可进一步为氚原子提供占位空间，造成氚燃料的消耗，降低反应堆系统的安全性和持续运行能力。同时，第一壁所吸收的来自于聚变反应所产生的热量中，由等离子体辐照所诱发的高热流虽然作用于部件表层，但仍能导致材料结构变化和部件连接界面受损(如裂纹、剥离、烧蚀和熔化等)。因此，聚变反应堆的第一壁结构要求能够承受很高的稳态和瞬态热负荷，并且在等离子体辐照环境下具有较小材料腐蚀(包括物理溅射和化学溅射腐蚀等)、氚燃料滞留和渗透少，同时要求中子辐照对第一壁结构影响较小。

钨材料因其高熔点、高热导率、低燃料滞留、低物理溅射、低活性等多方面特性而成为面向等离子体的首选材料，已经被广泛研究和应用。

低活化钢(低活化铁素体/马氏体钢-RAFM)由于在中子辐照作用下具有低活化性能、较低辐照肿胀和热膨胀系数、较高的热导率等优良的物理和力学性能，以及相对较为成熟的技术基础，被广泛选用作为聚变反应堆结构材料。

现有类似的设计和技术主要是针对非稳态运行聚变实验装置进行的，而不是针对聚变反应堆的，而且主要是针对偏滤器部件的。主要是采用锻造钨的块体与低活化钢材料进行焊接结合的设计，这些结构没有阻氚功能，并且没有针对稳态运行的聚变反应堆第一壁的运行工况进行设计。

现有类似技术中阻氚涂层主要是针对聚变反应堆氚工厂的管路或者包层结构，它们无须面对稳态和瞬态的高热负荷以及由于瞬态等离子体事件造成的热疲劳效应，或者它们承受的中子辐照剂量很小。

现有类似技术的中间层或者阻氚涂层都具有以下特点之一：

(a)钨与低活化钢的连接使用焊接技术，不具有阻氚能力；

(b)使用非焊接技术与钨材料或者低活化钢材料两者之一进行结合，但不是作为钨和低活化钢二者连接的中间层，未能将钨与低活化钢有效连接；

(c)中间层为多层结构，非单一材料中间层；

(d)中间层不具有阻氚能力；

(e)中间层含有O、Ni、Mo等聚变反应堆避免使用或非优先使用材料；

(f)与中间层结合的钨材料为非厚钨涂层材料，或者非高纯钨材料，抗热冲击性能差。

在聚变反应堆中，必须保证第一壁具有良好的阻氚功能，减少氚累积，是保证氚循环和氚增殖需求以及满足核安全的必须要求；并且需要实现面向等离子体材料与结构材料的结合功能。

发明内容