Divertor is one of the most important components of the magnetic confinement fusion device, which directly sustains the strong particle flow and high heat load during a harsh service circumstance. The heat sink material that accommodates the operation circumstance of the divertor is one of the crucial prerequisites to perform the normal operation of a fusion reactor. The research and engineering experiences over the past three decades indicate that copper alloys are the best and probably the only material group for the heat sink of the water-cooled target of a divertor owing to its high thermal conductivity, strength, thermal stability, and radiation resistance. However, on account of its performance under the typical irradiation scenario of a divertor in the next step fusion reactor, none of the existing commercial copper alloys can satisfy both the harsh working environment and engineering building requirements in the Chinese Fusion Engineering Test Reactor (CFETR). At present, the design and research of CFETR devices have been conducted and is progressing steadily according to the proposal. Therefore, the development of high-performance copper alloys or copper matrix composites for high heat flux components is essential. In this study, the working condition of the heat sink in the next step fusion reactor divertor was first introduced according to the Roadmap of Fusion Energy of China. Thus, the performance requirements for the heat sink and its potential application limitations in the future fusion reactor divertor were reviewed. Finally, certain countermeasures regarding the heat sink materials were proposed for the CFETR divertor.
PENG Wuqingliang, LI Qiang, CHANG Yongqin, WANG Wanjing, CHEN Zhen, XIE Chunyi, WANG Jichao, GENG Xiang, HUANG Lingming, ZHOU Haishan, LUO Guangnan. A Review on the Development of the Heat Sink of the Fusion Reactor Divertor. Acta Metallurgica Sinica[J], 2021, 57(7): 831-844 DOI:10.11900/0412.1961.2020.00376
人类的生存与发展离不开能源,能源短缺和环境污染是人类在21世纪面临的主要问题。在此背景下,受控核聚变作为少数可以满足大规模应用的可持续能源,自20世纪50年代以来持续受到广泛的关注与研究[1,2]。如今中国作为能源的生产、消费和进口大国,能源问题成为决定国民经济和国家安全的命脉。基于能源的长远需求,中国于2006年正式加入国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)计划,以开展聚变堆相关的工程和物理研究[3]。此外,为建立ITER和示范性聚变核电厂(demonstration fusion power plant,DEMO)之间的联系,我国正在设计建造中国聚变工程试验堆(Chinese Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)。CFETR计划分为2个阶段:第一阶段的目标是实现稳态运行和氚自持,此时其聚变功率可达200 MW;第二阶段的目标是实现1 GW的聚变功率,以对未来DEMO聚变堆的相关技术进行验证[4,5]。
Fig.1
Schematic view of ITER tungsten divertor (a), and schematic illustrations of vertical target plasma-facing units (PFUs) (b) and dome PFUs (c) (ITER—International Thermonuclear Experimental Reactor, OFCu—oxygen free copper)[11]
在聚变堆中,偏滤器PFCs所处的服役环境最为恶劣,PFCs不仅要承受高的热负荷,而且要经受高达14 MeV的中子辐照损伤。例如,与ITER相比,未来Tokamak装置(CFETR、DEMO)的PFCs不仅承受的热负荷更高(如CFETR偏滤器靶板上承受的峰值热负荷将超过20 MW/m2)[4,5],而且其承受的稳态运行热负荷时间更长(如EU DEMO持续时间为2 h)[13]。另一方面,偏滤器PFCs还要承受高剂量的中子辐照损伤。据估算,EU DEMO偏滤器PFCs中钨铠甲的中子辐照损伤速率约3.4 dpa/fpy (displacements per atom (dpa) per full-power year (fpy))[14],铜热沉的中子辐照损伤速率约10 dpa/fpy[15]。可见,偏滤器PFCs部件由多种材料构成,不同材料在承受相同剂量中子辐照时的损伤速率也有所差异,其中铜合金的损伤速率最大[12]。此外,偏滤器中不同区域的PFCs受到的高热负荷、中子辐照剂量有所不同。EU DEMO偏滤器的设计概念如图2[16]所示。计算发现,偏滤器靶板区域的PFCs受到的高热负荷最大,但其承受的辐照损伤较偏滤器其他区域的PFCs要小[12]。综上,作为偏滤器部件的热沉材料不仅要承受周期性高热负荷造成的损伤,同时还要承受高剂量的中子辐照损伤。并且,在高热负荷疲劳与中子辐照的协同效应下,热沉材料的热导率、强度和断裂韧性等性能会显著下降,从而降低热沉材料在聚变堆中的服役寿命[17~19]。因此,聚变堆偏滤器对热沉材料的基本要求是能在预测的热负荷和中子剂量下保持良好的热导率和足够的力学性能。
Fig.2
CAD model of the DEMO divertor cassette (a) and a target PFC mock-up with a schematic of the cross section (b) (CAD—computer aided design, DEMO—demonstration fusion power plant, PFC—plasma-facing component, ϕin—inner diameter)[16]
Fig.4
Neutron irradiation effect on the thermal conductivity of GlidCop Al25 IG and CuCrZr IG alloys irradiated to 2 dpa at the temperatures (Tirr) of 150 and 300oC[17]
Fig.5
Radiation damage dose effect on the electrical resistivity of GlidCop Al25 IG and CuCrZr IG alloys irradiated at the temperatures of 150 and 300oC[17]
Fig.7
Radiation damage dose effect on the uniform elongation of CuCrZr IG (a) and CuAl25 IG (b) alloys (CR + ann—cross-rolled and annealed at 1000oC, 1 h; SA + aged—solution annealing at 980°C, 1 h, and ageing at 480°C, 4 h)[17]
与此同时,铜合金在中子辐照下产生的嬗变产物也可以改变材料的力学性能和结构的完整性。图8[26]是PH铜合金CuCrZr和DS铜合金GlidCop在EU DEMO偏滤器相同辐照环境下材料成分的变化[26]。这2种材料由于成分和强化机制的不同,在相同剂量的中子辐照后产生的嬗变产物有所差异,但相同的是在CuCrZr和GlidCop中均产生了H和He,它们可在材料的晶界和其他界面上聚集,形成气泡和空洞从而削弱材料的强度与韧性。2种材料中产生的H含量相当,原因在于几乎所有的H都是中子与63Cu原子的相互作用产生的,这使得工程上可以通过调控65Cu含量降低63Cu原子含量,从而减少H的产生。GlidCop材料中产生的He含量更高,He原子在GlidCop中大约产生了160 appm (atomic parts per million),而在CuCrZr中产生了100 appm。这是因为DS铜合金在制备时,为避免加工过程产生的脆性需加入硼作为脱氧剂,而中子在10B上的(n,n)反应有一个非常高的横截面,使得嬗变反应在DS铜合金中更容易发生。
Fig.8
Composition before (black) and after (red) of CuCrZr (a) and Glidcop (b) following a typical irradiation scenario for a divertor in DEMO (appm—atomic parts per million)[26]
图10
EU DEMO PFCs热沉管(CuZrCr)在3种高热负荷下的稳态温度分布(左侧)及对应热应力分布(包括HHF过程中应力分布(中间),及冷却过程应力分布(右侧))[49]
Fig.10
Equilibrated temperature fields in the pipe of the EU DEMO (ITER-like) PFCs model under three specified HHF loads (left column) and the corresponding thermal stress fields (hoop component) during the HHF loading (middle column) and in the cooling phase at 150oC (right column) (HHF—high heat flux)[49]
Fig.11
The yield strength of several copper alloys as a function of temperature[50] (SAA—solution-annealed and aged condition, SA + CW + A—solution-annealed, cold-worked and aged condition, HT—heat treatment, AT—aged treatment)
... 在聚变堆中,偏滤器PFCs所处的服役环境最为恶劣,PFCs不仅要承受高的热负荷,而且要经受高达14 MeV的中子辐照损伤.例如,与ITER相比,未来Tokamak装置(CFETR、DEMO)的PFCs不仅承受的热负荷更高(如CFETR偏滤器靶板上承受的峰值热负荷将超过20 MW/m2)[4,5],而且其承受的稳态运行热负荷时间更长(如EU DEMO持续时间为2 h)[13].另一方面,偏滤器PFCs还要承受高剂量的中子辐照损伤.据估算,EU DEMO偏滤器PFCs中钨铠甲的中子辐照损伤速率约3.4 dpa/fpy (displacements per atom (dpa) per full-power year (fpy))[14],铜热沉的中子辐照损伤速率约10 dpa/fpy[15].可见,偏滤器PFCs部件由多种材料构成,不同材料在承受相同剂量中子辐照时的损伤速率也有所差异,其中铜合金的损伤速率最大[12].此外,偏滤器中不同区域的PFCs受到的高热负荷、中子辐照剂量有所不同.EU DEMO偏滤器的设计概念如图2[16]所示.计算发现,偏滤器靶板区域的PFCs受到的高热负荷最大,但其承受的辐照损伤较偏滤器其他区域的PFCs要小[12].综上,作为偏滤器部件的热沉材料不仅要承受周期性高热负荷造成的损伤,同时还要承受高剂量的中子辐照损伤.并且,在高热负荷疲劳与中子辐照的协同效应下,热沉材料的热导率、强度和断裂韧性等性能会显著下降,从而降低热沉材料在聚变堆中的服役寿命[17~19].因此,聚变堆偏滤器对热沉材料的基本要求是能在预测的热负荷和中子剂量下保持良好的热导率和足够的力学性能. ...
Present state of Chinese magnetic fusion development and future plans
3
2019
... 人类的生存与发展离不开能源,能源短缺和环境污染是人类在21世纪面临的主要问题.在此背景下,受控核聚变作为少数可以满足大规模应用的可持续能源,自20世纪50年代以来持续受到广泛的关注与研究[1,2].如今中国作为能源的生产、消费和进口大国,能源问题成为决定国民经济和国家安全的命脉.基于能源的长远需求,中国于2006年正式加入国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)计划,以开展聚变堆相关的工程和物理研究[3].此外,为建立ITER和示范性聚变核电厂(demonstration fusion power plant,DEMO)之间的联系,我国正在设计建造中国聚变工程试验堆(Chinese Fusion Engineering Test Reactor,CFETR).CFETR计划分为2个阶段:第一阶段的目标是实现稳态运行和氚自持,此时其聚变功率可达200 MW;第二阶段的目标是实现1 GW的聚变功率,以对未来DEMO聚变堆的相关技术进行验证[4,5]. ...
... 在聚变堆中,偏滤器PFCs所处的服役环境最为恶劣,PFCs不仅要承受高的热负荷,而且要经受高达14 MeV的中子辐照损伤.例如,与ITER相比,未来Tokamak装置(CFETR、DEMO)的PFCs不仅承受的热负荷更高(如CFETR偏滤器靶板上承受的峰值热负荷将超过20 MW/m2)[4,5],而且其承受的稳态运行热负荷时间更长(如EU DEMO持续时间为2 h)[13].另一方面,偏滤器PFCs还要承受高剂量的中子辐照损伤.据估算,EU DEMO偏滤器PFCs中钨铠甲的中子辐照损伤速率约3.4 dpa/fpy (displacements per atom (dpa) per full-power year (fpy))[14],铜热沉的中子辐照损伤速率约10 dpa/fpy[15].可见,偏滤器PFCs部件由多种材料构成,不同材料在承受相同剂量中子辐照时的损伤速率也有所差异,其中铜合金的损伤速率最大[12].此外,偏滤器中不同区域的PFCs受到的高热负荷、中子辐照剂量有所不同.EU DEMO偏滤器的设计概念如图2[16]所示.计算发现,偏滤器靶板区域的PFCs受到的高热负荷最大,但其承受的辐照损伤较偏滤器其他区域的PFCs要小[12].综上,作为偏滤器部件的热沉材料不仅要承受周期性高热负荷造成的损伤,同时还要承受高剂量的中子辐照损伤.并且,在高热负荷疲劳与中子辐照的协同效应下,热沉材料的热导率、强度和断裂韧性等性能会显著下降,从而降低热沉材料在聚变堆中的服役寿命[17~19].因此,聚变堆偏滤器对热沉材料的基本要求是能在预测的热负荷和中子剂量下保持良好的热导率和足够的力学性能. ...
... [11]Schematic view of ITER tungsten divertor (a), and schematic illustrations of vertical target plasma-facing units (PFUs) (b) and dome PFUs (c) (ITER—International Thermonuclear Experimental Reactor, OFCu—oxygen free copper)[11]Fig.1
... 在聚变堆中,偏滤器PFCs所处的服役环境最为恶劣,PFCs不仅要承受高的热负荷,而且要经受高达14 MeV的中子辐照损伤.例如,与ITER相比,未来Tokamak装置(CFETR、DEMO)的PFCs不仅承受的热负荷更高(如CFETR偏滤器靶板上承受的峰值热负荷将超过20 MW/m2)[4,5],而且其承受的稳态运行热负荷时间更长(如EU DEMO持续时间为2 h)[13].另一方面,偏滤器PFCs还要承受高剂量的中子辐照损伤.据估算,EU DEMO偏滤器PFCs中钨铠甲的中子辐照损伤速率约3.4 dpa/fpy (displacements per atom (dpa) per full-power year (fpy))[14],铜热沉的中子辐照损伤速率约10 dpa/fpy[15].可见,偏滤器PFCs部件由多种材料构成,不同材料在承受相同剂量中子辐照时的损伤速率也有所差异,其中铜合金的损伤速率最大[12].此外,偏滤器中不同区域的PFCs受到的高热负荷、中子辐照剂量有所不同.EU DEMO偏滤器的设计概念如图2[16]所示.计算发现,偏滤器靶板区域的PFCs受到的高热负荷最大,但其承受的辐照损伤较偏滤器其他区域的PFCs要小[12].综上,作为偏滤器部件的热沉材料不仅要承受周期性高热负荷造成的损伤,同时还要承受高剂量的中子辐照损伤.并且,在高热负荷疲劳与中子辐照的协同效应下,热沉材料的热导率、强度和断裂韧性等性能会显著下降,从而降低热沉材料在聚变堆中的服役寿命[17~19].因此,聚变堆偏滤器对热沉材料的基本要求是能在预测的热负荷和中子剂量下保持良好的热导率和足够的力学性能. ...
... 在聚变堆中,偏滤器PFCs所处的服役环境最为恶劣,PFCs不仅要承受高的热负荷,而且要经受高达14 MeV的中子辐照损伤.例如,与ITER相比,未来Tokamak装置(CFETR、DEMO)的PFCs不仅承受的热负荷更高(如CFETR偏滤器靶板上承受的峰值热负荷将超过20 MW/m2)[4,5],而且其承受的稳态运行热负荷时间更长(如EU DEMO持续时间为2 h)[13].另一方面,偏滤器PFCs还要承受高剂量的中子辐照损伤.据估算,EU DEMO偏滤器PFCs中钨铠甲的中子辐照损伤速率约3.4 dpa/fpy (displacements per atom (dpa) per full-power year (fpy))[14],铜热沉的中子辐照损伤速率约10 dpa/fpy[15].可见,偏滤器PFCs部件由多种材料构成,不同材料在承受相同剂量中子辐照时的损伤速率也有所差异,其中铜合金的损伤速率最大[12].此外,偏滤器中不同区域的PFCs受到的高热负荷、中子辐照剂量有所不同.EU DEMO偏滤器的设计概念如图2[16]所示.计算发现,偏滤器靶板区域的PFCs受到的高热负荷最大,但其承受的辐照损伤较偏滤器其他区域的PFCs要小[12].综上,作为偏滤器部件的热沉材料不仅要承受周期性高热负荷造成的损伤,同时还要承受高剂量的中子辐照损伤.并且,在高热负荷疲劳与中子辐照的协同效应下,热沉材料的热导率、强度和断裂韧性等性能会显著下降,从而降低热沉材料在聚变堆中的服役寿命[17~19].因此,聚变堆偏滤器对热沉材料的基本要求是能在预测的热负荷和中子剂量下保持良好的热导率和足够的力学性能. ...
An integrated model for materials in a fusion power plant: Transmutation, gas production, and helium embrittlement under neutron irradiation
1
2012
... 在聚变堆中,偏滤器PFCs所处的服役环境最为恶劣,PFCs不仅要承受高的热负荷,而且要经受高达14 MeV的中子辐照损伤.例如,与ITER相比,未来Tokamak装置(CFETR、DEMO)的PFCs不仅承受的热负荷更高(如CFETR偏滤器靶板上承受的峰值热负荷将超过20 MW/m2)[4,5],而且其承受的稳态运行热负荷时间更长(如EU DEMO持续时间为2 h)[13].另一方面,偏滤器PFCs还要承受高剂量的中子辐照损伤.据估算,EU DEMO偏滤器PFCs中钨铠甲的中子辐照损伤速率约3.4 dpa/fpy (displacements per atom (dpa) per full-power year (fpy))[14],铜热沉的中子辐照损伤速率约10 dpa/fpy[15].可见,偏滤器PFCs部件由多种材料构成,不同材料在承受相同剂量中子辐照时的损伤速率也有所差异,其中铜合金的损伤速率最大[12].此外,偏滤器中不同区域的PFCs受到的高热负荷、中子辐照剂量有所不同.EU DEMO偏滤器的设计概念如图2[16]所示.计算发现,偏滤器靶板区域的PFCs受到的高热负荷最大,但其承受的辐照损伤较偏滤器其他区域的PFCs要小[12].综上,作为偏滤器部件的热沉材料不仅要承受周期性高热负荷造成的损伤,同时还要承受高剂量的中子辐照损伤.并且,在高热负荷疲劳与中子辐照的协同效应下,热沉材料的热导率、强度和断裂韧性等性能会显著下降,从而降低热沉材料在聚变堆中的服役寿命[17~19].因此,聚变堆偏滤器对热沉材料的基本要求是能在预测的热负荷和中子剂量下保持良好的热导率和足够的力学性能. ...
Conceptual design studies for the European DEMO divertor: Rationale and first results
1
2016
... 在聚变堆中,偏滤器PFCs所处的服役环境最为恶劣,PFCs不仅要承受高的热负荷,而且要经受高达14 MeV的中子辐照损伤.例如,与ITER相比,未来Tokamak装置(CFETR、DEMO)的PFCs不仅承受的热负荷更高(如CFETR偏滤器靶板上承受的峰值热负荷将超过20 MW/m2)[4,5],而且其承受的稳态运行热负荷时间更长(如EU DEMO持续时间为2 h)[13].另一方面,偏滤器PFCs还要承受高剂量的中子辐照损伤.据估算,EU DEMO偏滤器PFCs中钨铠甲的中子辐照损伤速率约3.4 dpa/fpy (displacements per atom (dpa) per full-power year (fpy))[14],铜热沉的中子辐照损伤速率约10 dpa/fpy[15].可见,偏滤器PFCs部件由多种材料构成,不同材料在承受相同剂量中子辐照时的损伤速率也有所差异,其中铜合金的损伤速率最大[12].此外,偏滤器中不同区域的PFCs受到的高热负荷、中子辐照剂量有所不同.EU DEMO偏滤器的设计概念如图2[16]所示.计算发现,偏滤器靶板区域的PFCs受到的高热负荷最大,但其承受的辐照损伤较偏滤器其他区域的PFCs要小[12].综上,作为偏滤器部件的热沉材料不仅要承受周期性高热负荷造成的损伤,同时还要承受高剂量的中子辐照损伤.并且,在高热负荷疲劳与中子辐照的协同效应下,热沉材料的热导率、强度和断裂韧性等性能会显著下降,从而降低热沉材料在聚变堆中的服役寿命[17~19].因此,聚变堆偏滤器对热沉材料的基本要求是能在预测的热负荷和中子剂量下保持良好的热导率和足够的力学性能. ...
Progress in the initial design activities for the European DEMO divertor: Subproject “Cassette”
3
2017
... 在聚变堆中,偏滤器PFCs所处的服役环境最为恶劣,PFCs不仅要承受高的热负荷,而且要经受高达14 MeV的中子辐照损伤.例如,与ITER相比,未来Tokamak装置(CFETR、DEMO)的PFCs不仅承受的热负荷更高(如CFETR偏滤器靶板上承受的峰值热负荷将超过20 MW/m2)[4,5],而且其承受的稳态运行热负荷时间更长(如EU DEMO持续时间为2 h)[13].另一方面,偏滤器PFCs还要承受高剂量的中子辐照损伤.据估算,EU DEMO偏滤器PFCs中钨铠甲的中子辐照损伤速率约3.4 dpa/fpy (displacements per atom (dpa) per full-power year (fpy))[14],铜热沉的中子辐照损伤速率约10 dpa/fpy[15].可见,偏滤器PFCs部件由多种材料构成,不同材料在承受相同剂量中子辐照时的损伤速率也有所差异,其中铜合金的损伤速率最大[12].此外,偏滤器中不同区域的PFCs受到的高热负荷、中子辐照剂量有所不同.EU DEMO偏滤器的设计概念如图2[16]所示.计算发现,偏滤器靶板区域的PFCs受到的高热负荷最大,但其承受的辐照损伤较偏滤器其他区域的PFCs要小[12].综上,作为偏滤器部件的热沉材料不仅要承受周期性高热负荷造成的损伤,同时还要承受高剂量的中子辐照损伤.并且,在高热负荷疲劳与中子辐照的协同效应下,热沉材料的热导率、强度和断裂韧性等性能会显著下降,从而降低热沉材料在聚变堆中的服役寿命[17~19].因此,聚变堆偏滤器对热沉材料的基本要求是能在预测的热负荷和中子剂量下保持良好的热导率和足够的力学性能. ...
... [16]CAD model of the DEMO divertor cassette (a) and a target PFC mock-up with a schematic of the cross section (b) (CAD—computer aided design, DEMO—demonstration fusion power plant, PFC—plasma-facing component, ϕin—inner diameter)[16]Fig.2
Effect of high doses of neutron irradiation on physico-mechanical properties of copper alloys for ITER applications
13
2005
... 在聚变堆中,偏滤器PFCs所处的服役环境最为恶劣,PFCs不仅要承受高的热负荷,而且要经受高达14 MeV的中子辐照损伤.例如,与ITER相比,未来Tokamak装置(CFETR、DEMO)的PFCs不仅承受的热负荷更高(如CFETR偏滤器靶板上承受的峰值热负荷将超过20 MW/m2)[4,5],而且其承受的稳态运行热负荷时间更长(如EU DEMO持续时间为2 h)[13].另一方面,偏滤器PFCs还要承受高剂量的中子辐照损伤.据估算,EU DEMO偏滤器PFCs中钨铠甲的中子辐照损伤速率约3.4 dpa/fpy (displacements per atom (dpa) per full-power year (fpy))[14],铜热沉的中子辐照损伤速率约10 dpa/fpy[15].可见,偏滤器PFCs部件由多种材料构成,不同材料在承受相同剂量中子辐照时的损伤速率也有所差异,其中铜合金的损伤速率最大[12].此外,偏滤器中不同区域的PFCs受到的高热负荷、中子辐照剂量有所不同.EU DEMO偏滤器的设计概念如图2[16]所示.计算发现,偏滤器靶板区域的PFCs受到的高热负荷最大,但其承受的辐照损伤较偏滤器其他区域的PFCs要小[12].综上,作为偏滤器部件的热沉材料不仅要承受周期性高热负荷造成的损伤,同时还要承受高剂量的中子辐照损伤.并且,在高热负荷疲劳与中子辐照的协同效应下,热沉材料的热导率、强度和断裂韧性等性能会显著下降,从而降低热沉材料在聚变堆中的服役寿命[17~19].因此,聚变堆偏滤器对热沉材料的基本要求是能在预测的热负荷和中子剂量下保持良好的热导率和足够的力学性能. ...
... [17]Neutron irradiation effect on the thermal conductivity of GlidCop Al25 IG and CuCrZr IG alloys irradiated to 2 dpa at the temperatures (Tirr) of 150 and 300oC[17]Fig.4
Radiation damage dose effect on the electrical resistivity of GlidCop Al25 IG and CuCrZr IG alloys irradiated at the temperatures of 150 and 300oC[17]Fig.5
Radiation damage dose effect on the electrical resistivity of GlidCop Al25 IG and CuCrZr IG alloys irradiated at the temperatures of 150 and 300oC[17]Fig.5
... [17]Radiation damage dose effect on the electrical resistivity of GlidCop Al25 IG and CuCrZr IG alloys irradiated at the temperatures of 150 and 300oC[17]Fig.5
... [17]Radiation damage dose effect on the uniform elongation of CuCrZr IG (a) and CuAl25 IG (b) alloys (CR + ann—cross-rolled and annealed at 1000oC, 1 h; SA + aged—solution annealing at 980°C, 1 h, and ageing at 480°C, 4 h)[17]Fig.7
与此同时,铜合金在中子辐照下产生的嬗变产物也可以改变材料的力学性能和结构的完整性.图8[26]是PH铜合金CuCrZr和DS铜合金GlidCop在EU DEMO偏滤器相同辐照环境下材料成分的变化[26].这2种材料由于成分和强化机制的不同,在相同剂量的中子辐照后产生的嬗变产物有所差异,但相同的是在CuCrZr和GlidCop中均产生了H和He,它们可在材料的晶界和其他界面上聚集,形成气泡和空洞从而削弱材料的强度与韧性.2种材料中产生的H含量相当,原因在于几乎所有的H都是中子与63Cu原子的相互作用产生的,这使得工程上可以通过调控65Cu含量降低63Cu原子含量,从而减少H的产生.GlidCop材料中产生的He含量更高,He原子在GlidCop中大约产生了160 appm (atomic parts per million),而在CuCrZr中产生了100 appm.这是因为DS铜合金在制备时,为避免加工过程产生的脆性需加入硼作为脱氧剂,而中子在10B上的(n,n)反应有一个非常高的横截面,使得嬗变反应在DS铜合金中更容易发生. ...
... [17]Fig.7
与此同时,铜合金在中子辐照下产生的嬗变产物也可以改变材料的力学性能和结构的完整性.图8[26]是PH铜合金CuCrZr和DS铜合金GlidCop在EU DEMO偏滤器相同辐照环境下材料成分的变化[26].这2种材料由于成分和强化机制的不同,在相同剂量的中子辐照后产生的嬗变产物有所差异,但相同的是在CuCrZr和GlidCop中均产生了H和He,它们可在材料的晶界和其他界面上聚集,形成气泡和空洞从而削弱材料的强度与韧性.2种材料中产生的H含量相当,原因在于几乎所有的H都是中子与63Cu原子的相互作用产生的,这使得工程上可以通过调控65Cu含量降低63Cu原子含量,从而减少H的产生.GlidCop材料中产生的He含量更高,He原子在GlidCop中大约产生了160 appm (atomic parts per million),而在CuCrZr中产生了100 appm.这是因为DS铜合金在制备时,为避免加工过程产生的脆性需加入硼作为脱氧剂,而中子在10B上的(n,n)反应有一个非常高的横截面,使得嬗变反应在DS铜合金中更容易发生. ...
Plasma-facing materials for thermo-nuclear fusion devices
0
2009
Low cycle fatigue behavior of ITER-like divertor target under DEMO-relevant operation conditions
1
2015
... 在聚变堆中,偏滤器PFCs所处的服役环境最为恶劣,PFCs不仅要承受高的热负荷,而且要经受高达14 MeV的中子辐照损伤.例如,与ITER相比,未来Tokamak装置(CFETR、DEMO)的PFCs不仅承受的热负荷更高(如CFETR偏滤器靶板上承受的峰值热负荷将超过20 MW/m2)[4,5],而且其承受的稳态运行热负荷时间更长(如EU DEMO持续时间为2 h)[13].另一方面,偏滤器PFCs还要承受高剂量的中子辐照损伤.据估算,EU DEMO偏滤器PFCs中钨铠甲的中子辐照损伤速率约3.4 dpa/fpy (displacements per atom (dpa) per full-power year (fpy))[14],铜热沉的中子辐照损伤速率约10 dpa/fpy[15].可见,偏滤器PFCs部件由多种材料构成,不同材料在承受相同剂量中子辐照时的损伤速率也有所差异,其中铜合金的损伤速率最大[12].此外,偏滤器中不同区域的PFCs受到的高热负荷、中子辐照剂量有所不同.EU DEMO偏滤器的设计概念如图2[16]所示.计算发现,偏滤器靶板区域的PFCs受到的高热负荷最大,但其承受的辐照损伤较偏滤器其他区域的PFCs要小[12].综上,作为偏滤器部件的热沉材料不仅要承受周期性高热负荷造成的损伤,同时还要承受高剂量的中子辐照损伤.并且,在高热负荷疲劳与中子辐照的协同效应下,热沉材料的热导率、强度和断裂韧性等性能会显著下降,从而降低热沉材料在聚变堆中的服役寿命[17~19].因此,聚变堆偏滤器对热沉材料的基本要求是能在预测的热负荷和中子剂量下保持良好的热导率和足够的力学性能. ...
Copper matrix composites as heat sink materials for water-cooled divertor target
... 与此同时,铜合金在中子辐照下产生的嬗变产物也可以改变材料的力学性能和结构的完整性.图8[26]是PH铜合金CuCrZr和DS铜合金GlidCop在EU DEMO偏滤器相同辐照环境下材料成分的变化[26].这2种材料由于成分和强化机制的不同,在相同剂量的中子辐照后产生的嬗变产物有所差异,但相同的是在CuCrZr和GlidCop中均产生了H和He,它们可在材料的晶界和其他界面上聚集,形成气泡和空洞从而削弱材料的强度与韧性.2种材料中产生的H含量相当,原因在于几乎所有的H都是中子与63Cu原子的相互作用产生的,这使得工程上可以通过调控65Cu含量降低63Cu原子含量,从而减少H的产生.GlidCop材料中产生的He含量更高,He原子在GlidCop中大约产生了160 appm (atomic parts per million),而在CuCrZr中产生了100 appm.这是因为DS铜合金在制备时,为避免加工过程产生的脆性需加入硼作为脱氧剂,而中子在10B上的(n,n)反应有一个非常高的横截面,使得嬗变反应在DS铜合金中更容易发生. ...
... [26].这2种材料由于成分和强化机制的不同,在相同剂量的中子辐照后产生的嬗变产物有所差异,但相同的是在CuCrZr和GlidCop中均产生了H和He,它们可在材料的晶界和其他界面上聚集,形成气泡和空洞从而削弱材料的强度与韧性.2种材料中产生的H含量相当,原因在于几乎所有的H都是中子与63Cu原子的相互作用产生的,这使得工程上可以通过调控65Cu含量降低63Cu原子含量,从而减少H的产生.GlidCop材料中产生的He含量更高,He原子在GlidCop中大约产生了160 appm (atomic parts per million),而在CuCrZr中产生了100 appm.这是因为DS铜合金在制备时,为避免加工过程产生的脆性需加入硼作为脱氧剂,而中子在10B上的(n,n)反应有一个非常高的横截面,使得嬗变反应在DS铜合金中更容易发生. ...
... [26]Composition before (black) and after (red) of CuCrZr (a) and Glidcop (b) following a typical irradiation scenario for a divertor in DEMO (appm—atomic parts per million)[26]Fig.8
... [44]Effect of neutron irradiation on initiation fracture toughness (J0.2BL) of CuAl25 IG0 (a) and CuCrZr (b) alloys (SE(B)—single edge bend, SG—side groove, Ttest—test temperature)[44]Fig.6
中子辐照对CuCrZr IG和CuAl25 IG均匀延伸率的影响[17]
Radiation damage dose effect on the uniform elongation of CuCrZr IG (a) and CuAl25 IG (b) alloys (CR + ann—cross-rolled and annealed at 1000oC, 1 h; SA + aged—solution annealing at 980°C, 1 h, and ageing at 480°C, 4 h)[17]Fig.7
与此同时,铜合金在中子辐照下产生的嬗变产物也可以改变材料的力学性能和结构的完整性.图8[26]是PH铜合金CuCrZr和DS铜合金GlidCop在EU DEMO偏滤器相同辐照环境下材料成分的变化[26].这2种材料由于成分和强化机制的不同,在相同剂量的中子辐照后产生的嬗变产物有所差异,但相同的是在CuCrZr和GlidCop中均产生了H和He,它们可在材料的晶界和其他界面上聚集,形成气泡和空洞从而削弱材料的强度与韧性.2种材料中产生的H含量相当,原因在于几乎所有的H都是中子与63Cu原子的相互作用产生的,这使得工程上可以通过调控65Cu含量降低63Cu原子含量,从而减少H的产生.GlidCop材料中产生的He含量更高,He原子在GlidCop中大约产生了160 appm (atomic parts per million),而在CuCrZr中产生了100 appm.这是因为DS铜合金在制备时,为避免加工过程产生的脆性需加入硼作为脱氧剂,而中子在10B上的(n,n)反应有一个非常高的横截面,使得嬗变反应在DS铜合金中更容易发生. ...
... [44]Fig.6
中子辐照对CuCrZr IG和CuAl25 IG均匀延伸率的影响[17]
Radiation damage dose effect on the uniform elongation of CuCrZr IG (a) and CuAl25 IG (b) alloys (CR + ann—cross-rolled and annealed at 1000oC, 1 h; SA + aged—solution annealing at 980°C, 1 h, and ageing at 480°C, 4 h)[17]Fig.7
与此同时,铜合金在中子辐照下产生的嬗变产物也可以改变材料的力学性能和结构的完整性.图8[26]是PH铜合金CuCrZr和DS铜合金GlidCop在EU DEMO偏滤器相同辐照环境下材料成分的变化[26].这2种材料由于成分和强化机制的不同,在相同剂量的中子辐照后产生的嬗变产物有所差异,但相同的是在CuCrZr和GlidCop中均产生了H和He,它们可在材料的晶界和其他界面上聚集,形成气泡和空洞从而削弱材料的强度与韧性.2种材料中产生的H含量相当,原因在于几乎所有的H都是中子与63Cu原子的相互作用产生的,这使得工程上可以通过调控65Cu含量降低63Cu原子含量,从而减少H的产生.GlidCop材料中产生的He含量更高,He原子在GlidCop中大约产生了160 appm (atomic parts per million),而在CuCrZr中产生了100 appm.这是因为DS铜合金在制备时,为避免加工过程产生的脆性需加入硼作为脱氧剂,而中子在10B上的(n,n)反应有一个非常高的横截面,使得嬗变反应在DS铜合金中更容易发生. ...
Effect of irradiation temperature on microstructure, radiation hardening and embrittlement of pure copper and copper-based alloy
... [49]Equilibrated temperature fields in the pipe of the EU DEMO (ITER-like) PFCs model under three specified HHF loads (left column) and the corresponding thermal stress fields (hoop component) during the HHF loading (middle column) and in the cooling phase at 150oC (right column) (HHF—high heat flux)[49]Fig.10
EU DEMO PFCs热沉管给定位置的稳态温度[49] (oC) ...
... [49]Fig.10
EU DEMO PFCs热沉管给定位置的稳态温度[49] (oC) ...
... EU DEMO PFCs热沉管给定位置的稳态温度[49] (oC) ...
... Steady state temperatures of the cooling pipe of the EU DEMO PFCs model at selected positions[49] ...
Physical and mechanical properties of copper and copper alloys
... [50]The yield strength of several copper alloys as a function of temperature[50] (SAA—solution-annealed and aged condition, SA + CW + A—solution-annealed, cold-worked and aged condition, HT—heat treatment, AT—aged treatment)Fig.11
铜合金的屈服强度与温度倒数的关系[51]
Yield strength (σy/ E', corrected for temperature-dependent elastic modulus E′) vs reciprocal temperature for several copper alloys[51]Fig.12
铜合金的稳态热蠕变曲线[52]
Steady state thermal creep laws for several copper alloy[52]Fig.13
... [51]Temperature dependence of the fracture toughness of several copper alloys[51]Fig.14
中子辐照和温度对CuCrZr均匀延伸率与断裂韧性的影响[51]
Effects of fission neutron irradiation and test temperature on uniform elongation (eU) and fracture toughness of CuCrZr[51]Fig.153.3 部件制造对铜热沉材料的影响
在关注热沉材料各项性能的同时,需要考虑铜合金在PFCs制造期间,受到制造工艺如热等静压、钎焊等连接过程产生的附加热循环的影响.这些热循环过程将会造成合金的沉淀物/强化相发生溶解或粗化,影响材料的力学性能和热物理性能.对于PH铜合金,如CuCrZr作为热沉的PFCs,目前各国在PFCs的制造过程中多采用热等静压(hot isostatic pressing,HIP)、钎焊(braze)、氩弧焊(tungsten inert gas welding,TIG)和电子束焊(electron beam welding,EB)等连接方法.但CuCrZr对热过程敏感,退火温度对其力学性能影响较大,如图16[57]所示.原型件中的CuCrZr合金在经历焊接热循环过程后会发生过时效,使其强度和热导率都有所下降.解决方法多为焊后对部件进行固溶退火+时效热处理,从而使得接头位置的强度恢复至原来的50%~70%[27].与PH铜合金相比,DS铜合金对后热处理过程的敏感性较小,例如Cu-Al2O3铜合金的软化温度> 900℃[58],这使其使用温度范围远远高于一般的PH铜合金,但这也使得DS铜合金不能像PH铜合金可以通过热处理的方法提高材料的性能.DS铜合金的性能很大程度上取决于加工路线,之后的热处理过程对其影响较小.并且,当使用熔化焊的方法对其进行连接时,合金的微观组织会被完全破坏,使得焊接接头的力学性能无法恢复,造成不可挽回的损失.因此,对于DS铜合金的部件制造工艺推荐使用非熔化的焊接方法,如摩擦焊、热等静压焊和爆炸焊等,有限的焊接性在一定程度上限制了DS铜合金用于PFCs. ...
... [51]Fig.14
中子辐照和温度对CuCrZr均匀延伸率与断裂韧性的影响[51]
Effects of fission neutron irradiation and test temperature on uniform elongation (eU) and fracture toughness of CuCrZr[51]Fig.153.3 部件制造对铜热沉材料的影响
在关注热沉材料各项性能的同时,需要考虑铜合金在PFCs制造期间,受到制造工艺如热等静压、钎焊等连接过程产生的附加热循环的影响.这些热循环过程将会造成合金的沉淀物/强化相发生溶解或粗化,影响材料的力学性能和热物理性能.对于PH铜合金,如CuCrZr作为热沉的PFCs,目前各国在PFCs的制造过程中多采用热等静压(hot isostatic pressing,HIP)、钎焊(braze)、氩弧焊(tungsten inert gas welding,TIG)和电子束焊(electron beam welding,EB)等连接方法.但CuCrZr对热过程敏感,退火温度对其力学性能影响较大,如图16[57]所示.原型件中的CuCrZr合金在经历焊接热循环过程后会发生过时效,使其强度和热导率都有所下降.解决方法多为焊后对部件进行固溶退火+时效热处理,从而使得接头位置的强度恢复至原来的50%~70%[27].与PH铜合金相比,DS铜合金对后热处理过程的敏感性较小,例如Cu-Al2O3铜合金的软化温度> 900℃[58],这使其使用温度范围远远高于一般的PH铜合金,但这也使得DS铜合金不能像PH铜合金可以通过热处理的方法提高材料的性能.DS铜合金的性能很大程度上取决于加工路线,之后的热处理过程对其影响较小.并且,当使用熔化焊的方法对其进行连接时,合金的微观组织会被完全破坏,使得焊接接头的力学性能无法恢复,造成不可挽回的损失.因此,对于DS铜合金的部件制造工艺推荐使用非熔化的焊接方法,如摩擦焊、热等静压焊和爆炸焊等,有限的焊接性在一定程度上限制了DS铜合金用于PFCs. ...
... [51]Effects of fission neutron irradiation and test temperature on uniform elongation (eU) and fracture toughness of CuCrZr[51]Fig.153.3 部件制造对铜热沉材料的影响
在关注热沉材料各项性能的同时,需要考虑铜合金在PFCs制造期间,受到制造工艺如热等静压、钎焊等连接过程产生的附加热循环的影响.这些热循环过程将会造成合金的沉淀物/强化相发生溶解或粗化,影响材料的力学性能和热物理性能.对于PH铜合金,如CuCrZr作为热沉的PFCs,目前各国在PFCs的制造过程中多采用热等静压(hot isostatic pressing,HIP)、钎焊(braze)、氩弧焊(tungsten inert gas welding,TIG)和电子束焊(electron beam welding,EB)等连接方法.但CuCrZr对热过程敏感,退火温度对其力学性能影响较大,如图16[57]所示.原型件中的CuCrZr合金在经历焊接热循环过程后会发生过时效,使其强度和热导率都有所下降.解决方法多为焊后对部件进行固溶退火+时效热处理,从而使得接头位置的强度恢复至原来的50%~70%[27].与PH铜合金相比,DS铜合金对后热处理过程的敏感性较小,例如Cu-Al2O3铜合金的软化温度> 900℃[58],这使其使用温度范围远远高于一般的PH铜合金,但这也使得DS铜合金不能像PH铜合金可以通过热处理的方法提高材料的性能.DS铜合金的性能很大程度上取决于加工路线,之后的热处理过程对其影响较小.并且,当使用熔化焊的方法对其进行连接时,合金的微观组织会被完全破坏,使得焊接接头的力学性能无法恢复,造成不可挽回的损失.因此,对于DS铜合金的部件制造工艺推荐使用非熔化的焊接方法,如摩擦焊、热等静压焊和爆炸焊等,有限的焊接性在一定程度上限制了DS铜合金用于PFCs. ...
... [51]Fig.153.3 部件制造对铜热沉材料的影响
在关注热沉材料各项性能的同时,需要考虑铜合金在PFCs制造期间,受到制造工艺如热等静压、钎焊等连接过程产生的附加热循环的影响.这些热循环过程将会造成合金的沉淀物/强化相发生溶解或粗化,影响材料的力学性能和热物理性能.对于PH铜合金,如CuCrZr作为热沉的PFCs,目前各国在PFCs的制造过程中多采用热等静压(hot isostatic pressing,HIP)、钎焊(braze)、氩弧焊(tungsten inert gas welding,TIG)和电子束焊(electron beam welding,EB)等连接方法.但CuCrZr对热过程敏感,退火温度对其力学性能影响较大,如图16[57]所示.原型件中的CuCrZr合金在经历焊接热循环过程后会发生过时效,使其强度和热导率都有所下降.解决方法多为焊后对部件进行固溶退火+时效热处理,从而使得接头位置的强度恢复至原来的50%~70%[27].与PH铜合金相比,DS铜合金对后热处理过程的敏感性较小,例如Cu-Al2O3铜合金的软化温度> 900℃[58],这使其使用温度范围远远高于一般的PH铜合金,但这也使得DS铜合金不能像PH铜合金可以通过热处理的方法提高材料的性能.DS铜合金的性能很大程度上取决于加工路线,之后的热处理过程对其影响较小.并且,当使用熔化焊的方法对其进行连接时,合金的微观组织会被完全破坏,使得焊接接头的力学性能无法恢复,造成不可挽回的损失.因此,对于DS铜合金的部件制造工艺推荐使用非熔化的焊接方法,如摩擦焊、热等静压焊和爆炸焊等,有限的焊接性在一定程度上限制了DS铜合金用于PFCs. ...