第一壁材料
first-wall materials
核聚變中面對電漿的一層固體結構，也就是真空室壁。
第一壁材料first一wall materials製造聚變動力 堆結構中第一壁所用的材料。第一壁是包容電漿區 和真空區的部件。又稱面向電漿部件。它與其外圍 的增殖區結構緊密相連，常包括在增殖區結構中。比較 成熟的托卡馬克反應堆的第一壁包括以下部件:①第一 壁:形成電漿和真空室的容器壁;②孔欄:限定等 離子體邊界的部件，也可以兼作雜質控制系統;③偏濾 器:雜質控制系統;④其他部件:如中性束流注射區、 診斷視窗及內襯板等。 特點在聚變堆中，第一壁材料受到電漿中發 射出來的高能中子、電磁輻射和高能粒子(氛、氮、氦 和雜質)的強烈作用。一個商用的托卡馬克反應堆，一 般中子壁負荷為2一SMW/mZ。中子壁負荷是一個與 聚變堆的功率密度有關的設計指標，數值上等於單位面 積的第一壁材料上的聚變中子源強度與中子能量的乘 積。與1 MW/mZ的中子壁負荷相對應的聚變中子源強 度(能量為14 .069 MeV)是4 .43 X 10，7n/mZ·s。這些高 能中子的平均自由程為0.3m或更長一些，將會引起 整個第一壁和增殖區的輻照損傷。氖氖反應的聚變能， 除了中子的能量以外，氦原子具有3.SMeV的能量。 後者以光子或高能粒子的形式入射在第一壁的表面。光 子能量均勻地沉積在第一壁上，約占全部表面熱負荷的 20一60%。高能粒子的能量則主要沉積在孔欄板或偏濾 器上。因此，聚變堆第一壁材料必須能經受電漿逃 逸粒子作用下的表面濺射、起泡與剝蝕等的作用，不造 成對電漿的過度污染，能經受比較高的表面熱負 荷，而且在發生電漿破裂事件時，能承受電漿 能量快速(毫秒級)沉積產生的高熱負荷的瞬態過程，必 須抗中子輻照損傷，抗氫脆(D，T)，抗氦脆和氣體腫 脹，具有與周圍環境的相適應性，具有儘可能低的長半 衰期放射性產物。 種類第一壁材料主要包括第一壁表面覆蓋材料、 第一壁結構材料、高熱流材料和低活化材料。 第一壁表面覆蓋材料早期的聚變堆概念設計，第 一壁材料既作為結構材料也作為電漿界面材料。所 考慮的材料是不鏽鋼和高熔點金屬及其合金等。這些 中、高原子序數材料在電漿離子和中性粒子的作用 下發生濺射，濺射產物進入電漿引起的熱輻射損 失，隨著原子序數的增加急劇上升，容易引發電漿 的破裂(見電漿與材料表面相互作用)。所以，以後 的聚變堆概念設計採用了在第一壁材料上覆蓋一層低原 子序數材料的辦法。覆蓋層可以選擇一些與電漿相 互作用性能優越的材料，結構功能則由基體材料承擔。 可供選擇的覆蓋層材料主要有被(Be)、石墨、硼、碳 化硼、碳化矽、氧化被和碳化欽等。纖維強化複合材料 碳一碳、碳一碳化矽等，由於其優良的抗熱衝擊性能，也 可用作覆蓋層材料。 第一壁結構材料表面覆蓋層下的結構材料。既作 為真空室的壁，又包容第一壁冷卻劑，在多數設計中又 是增殖區的一部分。故要求其在高溫、高中子通量、高 熱負荷和高溫冷卻劑的環境中具有合適的工作壽命。 聚變反應產生的14MeV中子對材料的離位損傷 速率高於裂變中子，即dPa高(見中子輻照)。但它的 (n，a)和(n，p)及其他核反應的截面更大，在不鏽鋼 中的氣體產生速率要比在快中子堆中大20一30倍。高 氣體產生速率與離位損傷相結合(高的He/即a比值) 使聚變堆材料的輻照環境比快中子堆更為苛刻。氦 (He)是不溶解的惰性氣體，在高溫下遷移並為其他缺 陷如空位、位錯所捕獲，聚集長大成為氣泡(氫原子的 溶解度大，不易聚集成泡)，使材料發生腫脹和氦脆， 降低材料的塑性和尺寸穩定性。腫脹和氦脆的出現和嚴 重程度與溫度有關。其他核反應生成的嫂變元素長期積 累後的合金化效應也必須考慮。托卡馬克堆第一壁表面 熱負荷約為0.2一1.SMW/mZ。第一壁如果是比較厚 的板，則要考慮熱應力的影響;如果反應堆運行在周期 性工況，則要考慮材料的疲勞性能。 第一壁結構材料在上述條件下，除具有合適的機械 性能外，還要具有與增殖材料，冷卻劑良好的相容性。 可作為第一壁結構材料的有:奧氏體不鏽鋼(AISI 316， PCA)，鐵素體不鏽鋼(HT一9)，釩(V)、欽(Ti)、視 (Nb)和鉑(Mo)等金屬及合金。重點開發的是製造工藝 已經成熟的材料。 高熱流材料第一壁部件中的孔欄和偏濾器是高能 逃逸離子沉積能量的主要區域，其表面熱負荷比第一壁 表面平均值高一個量級以上。此外，聚變堆運行時，偶 爾會發生電漿破裂的事件，這時電漿的能量將 在毫秒級的短時間內傾注在第一壁的某些區域，包括孔 欄或偏濾器上。因此，這些部件必須採用高熱流材料。 常用的高熱流材料有銅合金(沉澱硬化合金，Cu一Mo 系合金等)，鑰合金(TZM一Mo一Ti一Zr一C合金，MO- Re系合金)，錠合金以及鎢(W)、鐵和石墨等。或者 套用襯板的形式保護第一壁結構的完整性。用作襯板的 材料有碳纖維強化材料，被和石墨等。 低活化材料聚變燃料發生聚變反應時並不象裂變 燃料那樣具有大量放射性裂變產物，主要的放射性來源 是第一壁和增殖區材料的中子活化。為了使聚變堆成為 更有吸引力的能源，從事聚變研究的一些國家以研究開 發低活化的第一壁材料作為遠期目標，目的在於降低總 放射性水平，特別是避免生成長半衰期放射性同位素， 即限制材料中鎳(Ni)、鋁和視的含量。已提出的低活 化材料有不含鎳的鉻錳(Cr一Mn)奧氏體不鏽鋼、9 Crl W和gCr3W等的改進型鋼、馬氏體鋼，以及釩合金 和高純度(99.98%以上)的碳纖維增強材料。 (林少非)
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