- 引言 -

《韓非子 難一》中講了一個(gè)“自相矛盾”的故事，有一個(gè)楚國(guó)人，賣盾又賣矛。他夸耀自己的盾，說：“我的盾堅(jiān)固無比，任何鋒利的東西都穿不透它?！庇挚湟约旱拿?，說：“我的矛鋒利極了，什么堅(jiān)固的東西都能刺穿?！庇腥藛査骸叭绻媚拿棠亩埽Y(jié)果會(huì)怎么樣呢？”那人張口結(jié)舌，一句話也答不上來。什么都不能刺穿的盾與什么都能刺穿的矛，不可能同時(shí)存在于這個(gè)世界上。

自相矛盾的故事，是告誡人們說話辦事要一致，不能違背了事物的客觀規(guī)律，自己也說服不了自己；也比喻自己說話做事前后矛盾或抵觸，成為別人的笑柄。

其實(shí)，我們還可以從另一個(gè)維度來理解這個(gè)故事的寓意，正是“矛與盾”的對(duì)抗和沖突，成為推動(dòng)人類技術(shù)進(jìn)步的不竭動(dòng)力，從一個(gè)高峰到達(dá)另一個(gè)高峰。

今天講的核聚變堆包層結(jié)構(gòu)材料的演進(jìn)史，就是一個(gè)很好的案例。

- 01 -

能源是人類社會(huì)生存發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，直接關(guān)系到國(guó)計(jì)民生和國(guó)家戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)力。以氫同位素氘氚(D-T)為主要原料的受控核聚變能，因其主要燃料氘儲(chǔ)量豐富，反應(yīng)主要產(chǎn)物為無放射性的氦(He)，且具有固有的安全性，被認(rèn)為是理想的清潔能源。

2006年11月，美國(guó)、歐盟、日本、韓國(guó)、俄羅斯、印度和中國(guó)七方正式簽訂協(xié)議，啟動(dòng)全超導(dǎo)磁約束國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)建設(shè)，以驗(yàn)證和平利用核聚變能發(fā)電的科學(xué)和工程技術(shù)可行性。

為了解決ITER與示范性聚變核電廠DEMO(Demonstration Fusion Power Plant)之間的技術(shù)問題，美國(guó)計(jì)劃建造聚變核科學(xué)設(shè)施FNSF(Fusion Nuclear Science Facility)用于理解聚變堆復(fù)雜的聚變等離子體與材料相互作用、核材料相互作用、氚燃料管理以及功率提取等。基于與FNSF同樣的目的，中國(guó)計(jì)劃建造中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆CFETR(China Fusion Engineering Test Reactor)，CFETR一期要解決等離子體穩(wěn)態(tài)運(yùn)行與氚自持兩個(gè)關(guān)鍵問題，CFETR二期實(shí)現(xiàn)聚變功率為1GW的DEMO堆相關(guān)技術(shù)問題確認(rèn)。

費(fèi)米曾說過，核技術(shù)的成敗取決于材料在反應(yīng)堆中強(qiáng)輻射場(chǎng)下的行為。這句話是針對(duì)裂變堆的，但對(duì)聚變堆而言，核材料面臨的問題反而更加嚴(yán)峻。

在商業(yè)化的托卡馬可聚變堆中，其包層系統(tǒng)中的第一壁(First Wall，簡(jiǎn)稱FW)材料，也就是直接面向等離子體的那層材料，需要滿足以下多種嚴(yán)苛的要求，例如低氚滯留；抗中子輻照能力；抗等離子體輻照；低活化；耐高溫&耐熱沖擊，以上幾個(gè)條件滿足一個(gè)就已經(jīng)十分困難了，滿足所有條件的材料目前還不存在。

包層系統(tǒng)（Blanket）是聚變堆中最重要的部件之一，為整個(gè)核聚變裝置提供中子和高熱負(fù)荷的屏蔽，是核聚變裝置的關(guān)鍵系統(tǒng)。包層系統(tǒng)包括覆蓋于核聚變堆真空室內(nèi)壁的兩個(gè)不同的子系統(tǒng)，分別是壁掛包層模塊和端口掛載包層模塊。每個(gè)模塊由第一壁、屏蔽塊(Shield Module)以及柔性支撐等組成。其中，第一壁提供了包層系統(tǒng)與等離子體的界面并屏蔽等離子體運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的高熱負(fù)荷。

包層系統(tǒng)的主要作用包括：

(1)能量轉(zhuǎn)換，將由高能中子攜帶的聚變反應(yīng)能量轉(zhuǎn)換成熱量，并進(jìn)一步有效提取用于發(fā)電；

(2)產(chǎn)氚，在包層中利用含鋰的氚增殖劑與中子反應(yīng)產(chǎn)生氚，并進(jìn)行提取，投入到主真空室中，進(jìn)行燃燒；

(3)屏蔽輻照，屏蔽中子并防止堆內(nèi)放射物質(zhì)泄漏。

圖片源自網(wǎng)絡(luò)

- 02 -

包層的分類方法很多，包括以氚增殖劑劃分、以冷卻劑劃分、以結(jié)構(gòu)材料劃分等。其中，最常用的是以氚增殖劑的狀態(tài)劃分，具體可以劃分為固態(tài)氚增殖劑包層與液態(tài)氚增殖劑包層兩種，分別簡(jiǎn)稱固態(tài)包層與液態(tài)包層。

固態(tài)包層的氚增殖劑主要有Li2TiO3、LiAlO2、Li4SiO4、LiZrO3等陶瓷。由于固態(tài)氚增殖劑鋰原子密度及填充率的限制，為滿足氚增殖率要求，需要采用金屬Be和Pb等中子倍增劑。

液態(tài)增殖劑主要包括液態(tài)金屬鋰(Li)、液態(tài)鋰鉛共晶體(LiPb)、熔鹽(FLiBe)等。液態(tài)金屬鋰增殖劑中有效氚增殖元素Li原子密度較高，在所有的氚增殖劑中具有最強(qiáng)的氚增殖能力。在液態(tài)金屬LiPb中，Pb是中子倍增劑。

包層的冷卻方式設(shè)計(jì)主要有氦冷、水冷及液態(tài)金屬/熔鹽自冷三種。其中對(duì)于固態(tài)包層來說，冷卻方式可選擇氦冷與水冷；對(duì)于液態(tài)包層來說，除了外加的氦冷或水冷外，液態(tài)氚增殖劑本身也具有帶出熱量的能力。

聚變堆包層結(jié)構(gòu)材料所處環(huán)境較為惡劣，對(duì)材料性能要求相對(duì)較高。

在聚變堆中，高通量14MeV中子輻照協(xié)同嬗變產(chǎn)生的氦、氫等雜質(zhì)元素將會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生顯著的影響，在材料中產(chǎn)生輻照缺陷、氦泡等，使材料的強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能顯著下降乃至失效，從而降低材料在聚變堆中的壽命，影響反應(yīng)堆的正常運(yùn)轉(zhuǎn)與安全。同時(shí)，包層結(jié)構(gòu)材料還會(huì)受到較高的熱負(fù)荷，并可能會(huì)受到冷卻劑和液態(tài)氚增殖劑的腐蝕作用。

目前普遍認(rèn)為，包層結(jié)構(gòu)材料需要滿足以下幾個(gè)基本要求：

(1)中子截面小、低活化；

(2)力學(xué)性能穩(wěn)定，且具有足夠的韌性、塑性、強(qiáng)度及高溫蠕變強(qiáng)度；

(3)具有較強(qiáng)的抗腐蝕性能，對(duì)應(yīng)力和晶間腐蝕不敏感；

(4)具有較好的抗高能中子輻照能力。

以下將介紹普通RAFM鋼、機(jī)械合金化ODS鋼、改良的RAFM鋼、非機(jī)械合金化ODS鋼、釩合金、碳化硅復(fù)合材料等六種候選包層結(jié)構(gòu)材料，并對(duì)未來潛在的聚變堆結(jié)構(gòu)材料候選材料進(jìn)行介紹。

- 03 -

低活化鐵素體馬氏體鋼（RAFM）

RAFM鋼的發(fā)展歷史可以追溯到1980年前后，美國(guó)、歐洲、日本相繼進(jìn)行了RAFM鋼的研究開發(fā)，主要的開發(fā)思路是對(duì)耐熱鋼HT-9(12Cr-1Mo-0.3V)鋼和改進(jìn)型的9Cr-1Mo鋼進(jìn)行低活化改進(jìn)，將高活化元素Mo和Nb以低活性的元素W、V、Ti、Ta代替，來實(shí)現(xiàn)聚變堆要求的低活化特性。

相比奧氏體不銹鋼(如316L等)，RAFM鋼展現(xiàn)了更低的輻照活性、更高的熱導(dǎo)率、更低的熱膨脹率和極好的抗腫脹性能。

下表給出了多種RAFM鋼的熱處理工藝及組織特點(diǎn)。目前已有的RAFM鋼的合金化元素含量及熱處理工藝，都是在考慮低活化的基礎(chǔ)上，綜合考慮了高溫蠕變、低溫輻照脆化、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能后得出的。

從2006年起，為配合我國(guó)氦冷固態(tài)試驗(yàn)增殖包層的設(shè)計(jì)研究，核工業(yè)西南物理研究院與中科院金屬研究所等多家單位聯(lián)合開發(fā)出了一種RAFM鋼，命名為CLF-1。

該鋼在韌脆轉(zhuǎn)變溫度、高溫拉伸性能尤其是在抗拉強(qiáng)度等方面已與國(guó)際同類鋼的水平相近，目前已經(jīng)完成了3批5t級(jí)低活化馬氏體鋼CLF-1鋼錠的生產(chǎn)。

中國(guó)科學(xué)院金屬研究所和近代物理所為開發(fā)適用于未來重大核電裝置的結(jié)構(gòu)材料，聯(lián)合研制了具有耐高溫、耐輻照、耐液態(tài)金屬腐蝕的SIMP鋼。

SIMP鋼是在傳統(tǒng)9%～12%Cr鐵素體/馬氏體耐熱鋼的基礎(chǔ)上，在鋼中增加Cr和Si含量，從而提高抗液態(tài)金屬腐蝕能力和抗氧化能力；提高C含量抑制高溫δ鐵素體，獲得全馬氏體組織，將鋼中Ni、P、Cu、Co、Al等活化元素的含量降低至極低水平以提高抗輻照性能。

優(yōu)化后的SIMP鋼最終名義成分為：0.20C-1.2Si-10.5Cr-1.5W-0.2V-0.15Ti(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，SIMP鋼與T91鋼等傳統(tǒng)已有低活化鋼相比，具有低的熱膨脹系數(shù)，高的熱導(dǎo)率，優(yōu)良的高溫蠕變性能、耐高溫耐腐蝕性能和抗輻照性能，同時(shí)還具有優(yōu)異的力學(xué)性能。

低活化鐵素體馬氏體鋼(RAFM)的預(yù)期工作溫度區(qū)間是325～550℃，低溫限制是由輻照誘導(dǎo)的硬化和脆化導(dǎo)致的，高溫限制是由熱蠕變強(qiáng)度決定的。

研究表明，傳統(tǒng)RAFM鋼存在以下幾方面的問題：

1、550℃以上，長(zhǎng)時(shí)間熱時(shí)效問題及低蠕變強(qiáng)度；

2、疲勞、蠕變疲勞導(dǎo)致的循環(huán)軟化；

3、延展性降低，在裂變中子輻照超過1～10dpa時(shí)出現(xiàn)低溫輻照脆化，且在聚變中子輻照環(huán)境下可能會(huì)更加嚴(yán)重；

4、輻照腫脹，在25～50dpa以上，輻照腫脹程度將不能接受；

5、與焊接相關(guān)眾多的問題，對(duì)于全尺寸包層模塊來說，焊前熱處理很難完成，輻照可能會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)域力學(xué)性能的急劇下降。

目前，ITER中的包層結(jié)構(gòu)材料仍以RAFM鋼為主要的候選材料，但異形件的加工、鎢與低活化鋼的連接仍是一個(gè)難點(diǎn)。在面向CFTER及未來DEMO堆包層的應(yīng)用中，RAFM鋼的雜質(zhì)控制將會(huì)是一個(gè)重要的問題，包括原材料的純化以及制造過程的清潔。

- 04 -

機(jī)械合金化ODS鋼

ODS鋼在先進(jìn)核能系統(tǒng)中的發(fā)展，始于1987年日本對(duì)于先進(jìn)快堆包殼材料的研究，并一直以機(jī)械合金化為主要的制備手段。

ODS鋼內(nèi)部高度彌散的納米析出相和相對(duì)細(xì)小的晶粒(如下圖所示)可以有效提升材料的高溫蠕變強(qiáng)度，同時(shí)保持韌性和延展性不出現(xiàn)明顯的降低，且維持足夠低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

另外，ODS鋼還具有優(yōu)良的抗中子輻照腫脹性能，且對(duì)氫脆、氦脆不敏感。

ODS鋼中的彌散相分布

對(duì)氧化物彌散強(qiáng)化鋼(ODS)的研究聚焦于兩種組分：

具有～9%Cr組分的馬氏體基體鋼和具有12%～16%Cr組分的鐵素體基體鋼。雖然基于之前的研究表明，傳統(tǒng)的含12%～17%Cr的鐵素體鋼具有輻照誘導(dǎo)的析出物(例如α析出物)，但是它仍然是適用于極高服役溫度(達(dá)到750～800℃)的反應(yīng)堆的候選結(jié)構(gòu)材料。

較低Cr含量的ODS鋼，在通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗罂梢跃哂懈玫母飨蛲裕⑶铱赡芴峁└玫牡蜏財(cái)嗔秧g性。但是受限于熱處理的馬氏體鋼基體的熱穩(wěn)定性，它的最高應(yīng)用溫度只有600～650℃。

相比RAFM鋼，ODS鋼展現(xiàn)出了極佳的抗輻照性能。ODS鋼之所以能夠降低或者延緩輻照誘導(dǎo)的材料性能退化，是因?yàn)镺DS鋼基體中大量的界面以及納米尺度的氧化物顆粒能夠作為捕獲擴(kuò)散的點(diǎn)缺陷和氦原子的位點(diǎn)。

一般來說，ODS鋼制備工藝為：氣霧化預(yù)合金粉末與Y2O3粉末通過機(jī)械合金化，從而使Y強(qiáng)制溶解在鐵素體相中，然后通過熱等靜壓等致密化手段對(duì)機(jī)械合金化粉末進(jìn)行燒結(jié)，并在加熱過程中促進(jìn)納米氧化物顆粒的形核，最后，對(duì)ODS鋼進(jìn)行變形加工和熱處理以進(jìn)一步對(duì)其組織進(jìn)行調(diào)控。

然而，機(jī)械合金化生產(chǎn)中存在的幾個(gè)問題限制了其發(fā)展：耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，成本高，效率低，研磨介質(zhì)(容器和氣氛)的不利影響，合金成分均勻性控制以及產(chǎn)品批次穩(wěn)定性。

- 05 -

改良RAFM鋼

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)RAFM 鋼與ODS發(fā)展的鴻溝，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室基于熱力學(xué)模擬計(jì)算開發(fā)了一種RAFM 鋼的改良型品種：可澆鑄納米結(jié)構(gòu)合金CNA(Castable nanostructured alloys)。

相比傳統(tǒng)RAFM 鋼，CNA主要的變化有兩點(diǎn)：

第一，化學(xué)成分優(yōu)化，如提高N含量，降低C含量，并額外提高V、Ta的含量。

第二，熱機(jī)械處理，包括600～700℃溫度范圍內(nèi)的熱軋，多次奧氏體化及回火等。這些改善的目的，是在鋼中引入更多的MX和M2X析出相(M=V,Ta;X=N,C)，以增強(qiáng)鋼的力學(xué)性能及抗輻照性能。

CNA鋼相比傳統(tǒng)RAFM鋼，在屈服強(qiáng)度、高溫蠕變強(qiáng)度、抗輻照性能等方面都有了明顯的提升，同時(shí)CNA成本與原來的RAFM鋼幾乎一致，遠(yuǎn)低于利用粉末冶金工藝制作的ODS鋼，并且避免了ODS鋼粉末冶煉導(dǎo)致的大規(guī)模生產(chǎn)困難。

目前這類鋼較大的問題是：

(1)缺少工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)，缺少焊接性能信息，不確定是否能在焊接區(qū)域保持良好的力學(xué)性能；

(2)材料數(shù)據(jù)庫(kù)不完全，特別是熱時(shí)效和蠕變疲勞數(shù)據(jù)。

目前，最迫切的問題，是實(shí)驗(yàn)確認(rèn)納米級(jí)析出相在熱時(shí)效和輻照條件下的穩(wěn)定性，而且，CNA鋼缺少中子輻照數(shù)據(jù)。

歐洲也開展了類似于CNA鋼的改良RAFM 鋼發(fā)展探索，主要手段也是成分微調(diào)以及熱機(jī)械處理，并針對(duì)水冷/氦冷包層設(shè)計(jì)方案分別給出了RAFM 鋼改良目標(biāo)。對(duì)于水冷包層，RAFM 鋼改良目標(biāo)是提高低溫抗輻照性能；而對(duì)于氦冷包層，目標(biāo)是提高高溫力學(xué)性能(強(qiáng)度、蠕變、蠕變疲勞)。

在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間，對(duì)于CNA鋼的研究將集中在材料成分、熱處理工藝的進(jìn)一步優(yōu)化及該材料的可靠性分析，包括析出相熱時(shí)效、輻照穩(wěn)定性等。

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非機(jī)械合金化ODS鋼

ODS鋼具有極為誘人的性能及在未來聚變堆包層應(yīng)用的前景，然而機(jī)械合金化帶來的高成本、低效率生產(chǎn)成為了限制其發(fā)展的瓶頸。

美國(guó)愛荷華州立大學(xué)的Rieken等提出了氣霧化反應(yīng)合成的方法來替代機(jī)械合金過程獲得ODS鋼。

西班牙納瓦拉大學(xué)的Gil等在Rieken工作的基礎(chǔ)上嘗試一種氣體霧化粉末表面處理＋反應(yīng)合成的方法制作了成分為Fe-14Cr-2W-0.3Ti-0.23Y的ODS鋼。

北京科技大學(xué)燕青芝等用熔煉鑄造工藝制備了ODS鋼，然后將稀土元素溶入鋼液、含氧載體氧化鐵粉體預(yù)先置入錠模中，在澆鑄過程中氧化鐵發(fā)生溶解熔化進(jìn)入鋼液，氧與鋼液中的稀土元素化合形成彌散分布的氧化物。

實(shí)驗(yàn)得到的氧化物顆粒均在5nm以下，大部分在1nm左右；并且得到的不是二元而是三元稀土氧化物(YTiO3顆粒)；該成分的氧化物高溫穩(wěn)定性好，對(duì)位錯(cuò)釘扎能力強(qiáng)，大幅提高了鋼的高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能。該ODS鋼在離子輻照考核中展現(xiàn)出了良好的抗腫脹及穩(wěn)定性。

中科院金屬所Wang等采用與Gil類似的工藝，通過氣霧化法制備了含Ti和Y的RAFM 鋼粉體，然后在4x10-3Pa氧分壓氛圍內(nèi)進(jìn)行熱處理引入氧。根據(jù)他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，產(chǎn)物為Ti或者Y的氧化物。粉末顆粒的表面有Y2O3的團(tuán)簇以及連續(xù)分布的厚TiO2層。

內(nèi)氧化ODS合金的制備已在銅、鎳等合金中成功應(yīng)用，對(duì)于非機(jī)械合金化ODS鋼，其工藝的優(yōu)化，特別是氧含量的控制仍是難點(diǎn)，也是研究的熱點(diǎn)。

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釩合金

從20世紀(jì)80年代開始，釩合金由于活性低、耐中子輻照、高溫強(qiáng)度高以及與液態(tài)鋰相容性好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是聚變堆包層結(jié)構(gòu)材料的一種很有吸引力的候選材料。

釩合金具有較好的延展性并且沒有鐵磁性，這是其優(yōu)于其他候選材料的方面。目前應(yīng)用于聚變包層結(jié)構(gòu)材料的釩合金主要為V-(4-5)Cr-(4-5)Ti系列的釩合金。

Cr的添加可以增加釩合金的高溫強(qiáng)度，Ti的添加可以通過吸收雜質(zhì)來提高釩合金的韌性。然而，對(duì)于V-xCr-yTi來說，當(dāng)x+y>10%時(shí)，釩合金會(huì)變脆。美國(guó)通用原子公司曾生產(chǎn)了一爐具有優(yōu)良性能的釩合金，用于DIII-D裝置的V-4Cr-4Ti的偏濾器。日本生產(chǎn)了NIFS-Heat-1、NIFS-Heat-2和NIFS-Heat-3等合金產(chǎn)品。

釩合金尚待解決的重要問題是，熱蠕變和輻照蠕變的數(shù)據(jù)不夠完善，熱蠕變和He誘導(dǎo)的脆性限制了使用溫度上限，嬗變產(chǎn)生的氦，對(duì)力學(xué)性能以及輻照穩(wěn)定性具有顯著影響，另外輻照還會(huì)影響斷裂性能(例如低溫輻照變脆現(xiàn)象，在輻照溫度低于～400℃時(shí)很顯著)。

釩合金高氫同位素滯留和滲透的特點(diǎn)，也是限制其在聚變堆中應(yīng)用的一個(gè)重要問題。作為聚變氘－氚(D-T)反應(yīng)的燃料，氚的用量非常巨大(一個(gè)1GW/y的D-T反應(yīng)堆每年需消耗56kg的氚)，而自然界中幾乎沒有氚，目前靠裂變堆提供氚的造價(jià)又極其高昂(CANDU堆生產(chǎn)：30000美元/g)，因此未來聚變堆將引入氚增殖包層，來解決這一問題。

在ITER的D-T運(yùn)行階段以及未來聚變裝置中，大量氘氚被充入反應(yīng)室中，以約3%的(ITER)燃燒效率反應(yīng)，其余的氘氚在反應(yīng)室內(nèi)循環(huán)，將作用于壁材料上，在材料中滯留。氚在材料中的滯留及其清除是目前影響ITER高參數(shù)、長(zhǎng)脈沖運(yùn)行的等離子壁交互作用（PWI:Plasma Wall Interaction）的重要問題之一。

對(duì)于聚變堆本身，氚滲透滯留問題的重要性體現(xiàn)在：

(1)聚變堆中，氚總量必須控制在一定的范圍；

(2)氫同位素氘、氚在聚變堆中的各種滲透行為使得氚的收集變困難；

(3)燃料中氘對(duì)包層結(jié)構(gòu)的滲透將導(dǎo)致額外的氫同位素分離工序，使氚工廠的設(shè)計(jì)復(fù)雜化；

(4)氚從包層滲透進(jìn)入主真空室可能影響第一壁的循環(huán)，進(jìn)而影響堆的高參數(shù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

聚變堆中任何與氫接觸的材料都存在氫的滲透問題，考慮到包層內(nèi)部近10000m2的表面將直接與氚接觸，氚滲透造成的影響將是非常巨大的。以V-5Cr-5Ti的滯留行為為例，研究發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)歷同條件氚注入后，V-5Cr-5Ti的滯留量比普通的RAFM 鋼高約3000倍，低劑量的輻照后，滯留量還會(huì)有近百倍的提升。

氚自持是聚變堆穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)必要條件。如果選擇釩合金作為包層結(jié)構(gòu)材料，其表面必須有具有極好阻氚性能的阻氚涂層存在，且該涂層能在氚增殖劑、冷卻劑(主要指水及液態(tài)金屬)腐蝕和中子腐蝕下保持穩(wěn)定的阻氚性能。這無疑提高了釩合金應(yīng)用的成本并限制了其在聚變堆中的應(yīng)用。

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碳化硅復(fù)合材料

SiC纖維增強(qiáng)的SiC基陶瓷復(fù)合材料(SiC/SiC)，在核反應(yīng)堆中的應(yīng)用研究已持續(xù)了數(shù)十年，其最初的應(yīng)用是在高溫氣冷反應(yīng)堆中。這種材料相比于RAFM鋼具有更高的運(yùn)行溫度，預(yù)期的運(yùn)行溫度可以達(dá)到5001000℃。純SiC和SiC/SiC復(fù)合材料于最近被證明在此溫度區(qū)間達(dá)到～70dpa的輻照劑量時(shí)，仍然具有好的尺寸穩(wěn)定性和高的強(qiáng)度。

并在1100℃時(shí)仍然和Pb-Li具有好的相容性。盡管在300℃時(shí)輻照后樣品的強(qiáng)度有所降低，但是基底的斷裂強(qiáng)度(由比例極限應(yīng)力所測(cè))在500℃和800℃輻照后幾乎沒有受到影響。

輻照之后的微結(jié)構(gòu)表征表明相間區(qū)域有著很大的改變，出現(xiàn)了多晶區(qū)域和少量微裂紋。對(duì)于化學(xué)氣相滲透制備的SiC基底微結(jié)構(gòu)，除了有一些間隙位錯(cuò)環(huán)之外，并沒有太大的改變。最近的一些實(shí)驗(yàn)研究為SiC復(fù)合材料的發(fā)展提供了很多有用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并且解決了一些重要的可行性問題。

例如，最近的中子輻照研究表明，對(duì)8種SiC/SiC焊接樣品在500℃下進(jìn)行中子輻照到3dpa，發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)剪切強(qiáng)度并沒有顯著的降低。Frazer等使用各種新型的表征手段對(duì)SiC/SiC復(fù)合材料的局域力學(xué)性能進(jìn)行了表征與評(píng)估。

Katsumi Yoshida等利用電泳沉積技術(shù)制備了層狀SiC/SiC復(fù)合材料，并對(duì)材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)SiC纖維交叉排列有助于提高其力學(xué)性能。

SiC/SiC復(fù)合材料雖然最近取得了一些進(jìn)展，并且在高劑量中子輻照后具有較好的尺寸和穩(wěn)定的力學(xué)性能，但是要想使SiC/SiC復(fù)合材料作為聚變堆結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用仍然還有大量的可行性問題需要解決。例如，SiC/SiC復(fù)合材料焊接困難，制造費(fèi)用高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有待確定以及拉伸強(qiáng)度有限等問題。

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新型結(jié)構(gòu)材料

目前ODS鋼、釩合金、碳化硅材料都存在一些局限，另外從更高輻照水平的示范堆(21世紀(jì)40年代)或商用原型電站(21世紀(jì)50年代)的要求看，ODS鋼也不能滿足需求。因此，聚變能長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展需求還需要研發(fā)其他先進(jìn)的結(jié)構(gòu)材料。復(fù)合塊狀非晶材料以及高熵合金在多個(gè)方面展現(xiàn)了優(yōu)良的性能，是有潛力的候選材料。

塊狀非晶材料(以下簡(jiǎn)稱非晶材料)又稱金屬玻璃，20世紀(jì)60年代開始進(jìn)入人們的視野。非晶材料由于原子排列長(zhǎng)程無序，短程有序，其物理、化學(xué)性能與晶體合金存在較大差異，在多方面存在優(yōu)勢(shì)，包括：

(1)非晶材料沒有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，其動(dòng)態(tài)斷裂韌性隨載荷速率增加而提高；

(2)非晶合金原子無序排列，其抗輻照性能優(yōu)于晶體合金；

(3)非晶合金具有極好的耐腐蝕性能；

(4)非晶材料與玻璃類似，存在超塑區(qū)間，可加熱軟化且易成型，從而解決了加工問題。

目前塊狀非晶材料的制備方法主要是銅模鑄造法。然而，非晶材料也存在一些劣勢(shì)，主要包括室溫脆性以及應(yīng)變軟化，從而限制了其在結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)用。

因此，科研人員開展了非晶復(fù)合材料的研發(fā)，以解決上述兩個(gè)問題。

根據(jù)復(fù)合相的來源，非晶復(fù)合材料可分為兩種：外加晶體相的塊體非晶復(fù)合材料和內(nèi)生塊體非晶復(fù)合材料。

2010年，北京科技大學(xué)新金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室呂昭平和吳淵等將相變誘導(dǎo)塑性(Transformation induced plasticity-TRIP)的概念引入非晶合金材料，成功地制備出具有拉伸塑性和加工硬化能力的相變誘導(dǎo)塑性非晶復(fù)合材料。

其基本思路為：

(1)通過添加合適的合金化元素，提高非晶基體玻璃形成能力，使合金液體具有良好的過冷能力；

(2)隨著溫度的降低，合金化元素與主元素形成高熔點(diǎn)金屬間化合物析出；

(3)隨著冷卻的進(jìn)一步進(jìn)行，高熔點(diǎn)金屬間化合物作為異質(zhì)形核核心，促進(jìn)亞穩(wěn)晶體母相的均勻彌散析出；

(4)剩余熔融液體凝固形成非晶基體。

依據(jù)該思路，可設(shè)計(jì)開發(fā)適合聚變結(jié)構(gòu)材料使用的非晶復(fù)合材料，需要注意的事項(xiàng)有：高活化元素含量的控制；非晶復(fù)合材料與氫的相容性，主要考慮到氫同位素特別是氚在鋯等元素中滯留量及滲透率較大，直接影響聚變堆安全性和經(jīng)濟(jì)性。

另一種可能的材料是高熵合金。自2004年中國(guó)臺(tái)灣學(xué)者葉均蔚提出了打破傳統(tǒng)合金單一主元設(shè)計(jì)模式的高熵合金概念開始，高熵合金吸引了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注。

多主元的特點(diǎn)導(dǎo)致高熵合金晶格畸變嚴(yán)重、高混合熵、高溫相穩(wěn)定，通過適當(dāng)?shù)暮辖鸪煞终{(diào)配，可獲得高溫蠕變性能好、抗腐蝕、抗氧化、高強(qiáng)度的適合于高溫結(jié)構(gòu)材料的高熵合金。

2014年Science雜志報(bào)道了一種FeCoNiCrMn高熵合金，其斷裂韌性優(yōu)于大多數(shù)傳統(tǒng)金屬材料，斷裂韌性在溫度下降到液氮溫度時(shí)仍保持穩(wěn)定。

美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Kiran Kumar等認(rèn)為優(yōu)良的力學(xué)性能及抗腐蝕性能使得高熵合金成為了極具潛力的裂變堆和聚變堆候選結(jié)構(gòu)材料。他們還借助離子束對(duì)FeNiMnCr高熵合金進(jìn)行了離子輻照，發(fā)現(xiàn)其具有特別好的抗輻照性能，超過了奧氏體不銹鋼材料，進(jìn)一步為高熵合金在聚變堆包層結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用提供了依據(jù)。

然而，需要注意的是，關(guān)于高熵合金中合金元素對(duì)合金組織性能的影響還沒有成熟的指導(dǎo)理論，目前發(fā)展的高熵合金體系中未發(fā)現(xiàn)有不包含高活化元素Ni、Co、Cu、Al的體系。

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在未來幾年，國(guó)內(nèi)的包層結(jié)構(gòu)材料的研究仍會(huì)以RAFM鋼，改良RAFM鋼及ODS鋼的制備工藝提升、性能測(cè)試及部件制作為主。

除了材料研發(fā)外，材料測(cè)試平臺(tái)的建立也是重要的環(huán)節(jié)。在聚變包層結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的進(jìn)程中，仍缺少一些重要的材料可靠性評(píng)估平臺(tái)，其中，以14MeV的中子源與能同時(shí)處理放射性樣品和含氚樣品的聚變材料熱室最為重要。

目前絕大多數(shù)聚變候選材料的中子輻照損傷數(shù)據(jù)來自裂變堆或散裂中子源。由于不同能量中子產(chǎn)生的嬗變產(chǎn)物含量(特別是He和H)不同，基于上述兩種中子源輻照測(cè)評(píng)的結(jié)果難以正確反映材料在聚變中子輻照下的損傷程度。

而對(duì)于聚變材料熱室，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、日本的京都大學(xué)和靜岡大學(xué)等單位都已引入了相關(guān)的平臺(tái)，國(guó)內(nèi)目前還沒有專門針對(duì)聚變材料的熱室平臺(tái)，這嚴(yán)重影響了國(guó)內(nèi)的聚變包層材料與氚相容性和氚輸運(yùn)分析的研究。

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據(jù)人民日?qǐng)?bào)消息，9月26日，在日本大阪舉行的國(guó)際慣性聚變科學(xué)與應(yīng)用（IFSA）會(huì)議上，我國(guó)理論物理學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士賀賢土榮獲世界核聚變能源領(lǐng)域最高獎(jiǎng)愛德華泰勒獎(jiǎng)。同時(shí)獲獎(jiǎng)的還有法國(guó)科學(xué)家Patrick Mora教授等人。

圖片源自網(wǎng)絡(luò)

賀賢土在中國(guó)激光驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變計(jì)劃（ICF）中，曾多年領(lǐng)導(dǎo)研究團(tuán)隊(duì)突破大量科學(xué)和技術(shù)難關(guān)，建成了中國(guó)獨(dú)立自主的ICF研究體系，并領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)獲得了中國(guó)首次間接驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)出熱核中子的重要進(jìn)展；同時(shí)，他提出了不同于國(guó)際上現(xiàn)有ICF點(diǎn)火途徑的新型混合驅(qū)動(dòng)點(diǎn)火模型。

愛德華·泰勒獎(jiǎng)是美國(guó)核物理學(xué)會(huì)設(shè)立、以“氫彈之父”愛德華·泰勒命名的聚變能源領(lǐng)域最高獎(jiǎng)項(xiàng)，每?jī)赡暝趪?guó)際慣性聚變科學(xué)與應(yīng)用大會(huì)上頒發(fā)，每次授予兩名杰出科學(xué)家，獎(jiǎng)勵(lì)他們?cè)谶\(yùn)用激光和離子粒子束產(chǎn)生高溫高強(qiáng)物質(zhì)來進(jìn)行科學(xué)研究及可控?zé)崮芎司圩兩系那把匮芯亢皖I(lǐng)導(dǎo)力。

期待有更多來自中國(guó)的科學(xué)家，在核聚變反應(yīng)堆的商用化進(jìn)程中，貢獻(xiàn)自己的智慧和力量。