面向等离子体壁材料的腐蚀行为与涂层防护综述

面向等离子体材料(Plasma Facing Materials,PFMs)可保护磁约束核聚变装置部件,使此部件不受芯部边缘等离子体的影响,但等离子体与壁相互作用(Plasma-Wall Interactions,PWI)所引起的高温腐蚀、辐射损伤和燃料滞留等问题已然成为先进核聚变装置的发展瓶颈.目前,低Z材料(C、Be)掺杂元素合金化、高Z材料(W、Mo)掺杂元素合金化以及不锈钢防护涂层是面向等离子体壁材料缓解等离子体作用的首选防护涂层.阐述了固体等离子体壁材料的一般腐蚀机制和常见PFMs的主要特征,发现热流等离子体作用下的壁蒸发和溅射是造成壁材料腐蚀的主要原因,而粒子辐照带来的组织结构缺陷将增强氢同位素在壁材料中的溶解与扩散,并随杂质共同沉积在壁材料表面.其次,重点综述了国内外关于等离子体作用下碳壁、钨壁、铍壁材料蒸发与溅射引起的腐蚀和碳氢结合的化学腐蚀原理,以及在此基础上开发出的碳基复合材料、钨基复合材料和不锈钢防护涂层等离子体壁材料的最新研究进展,对比发现高Z合金化的防护涂层和制备技术具有巨大的应用前景.最后分析了当前已开发的耐热腐蚀和等离子体相容性良好的壁材料亟待解决的一些关键基础问题,提出了未来PFMs的主要技术方向和发展趋势,期望为极端工况下服役的聚变反应堆新型防护涂层材料的研发提供重要参考.     

我国聚变堆第一壁材料的等离子体辐照设施概况及实验进展

直线型等离子体装置可以获得稳定、长脉冲、多种类的等离子体,具有参数可调、操作简单等特点,适合模拟聚变堆偏滤器区高密度、低温等离子体,是目前研究等离子体与壁相互作用(Plasma wall interaction,PWI)的有效手段。国内外利用各种直线型等离子体装置开展了大量PWI相关研究。本文主要综述了我国直线型等离子体装置的发展及其在PWI领域的研究现状,根据等离子体放电类型对国内的直线型等离子体装置进行了分类介绍,总结了关键参数与研究成果,并对未来直线装置的发展方向提出了展望。     

中科院合肥研究院“液态锂对无氧铜的腐蚀研究”取得进展

近日,中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所托卡马克物理研究室研究员胡建生课题组“液态金属锂对无氧铜的腐蚀行为和机理研究”取得进展,相关研究成果由博士后孟献才以Corrosion characteristics of copper in static liquid lithium underhigh vacuum 为题发表于核材料领域期刊Journal ofNuclear Materials上。液态锂对聚变装置中相关结构材料和第一壁材料的腐蚀特性研究对液态锂在聚变装置中的应用和相关材料的选择具有重要意义。     

托卡马克装置中减缓偏滤器靶板热流的Ne杂质注入研究进展

托卡马克装置中偏滤器的能量排除一直是磁约束核聚变中最迫切需要解决的关键问题之一,而辐射偏滤器运行模式可以有效降低托卡马克装置中偏滤器靶板的热流和粒子流。本文全面介绍了氖(Ne)作为注入杂质在ASDEX-Upgrade、JET、DⅢ-D、HL-2A、EAST等装置上取得的最新的重要结果,同时总结了Ne等杂质在碳、钨材料偏滤器下的不同表现。钨作为未来聚变装置偏滤器以及第一壁等的材料,有着很大优势,但杂质注入下存在钨杂质溅射及聚芯问题,所以还需进一步探索钨偏滤器与注入杂质的兼容性以满足ITER等装置的要求。     

核聚变装置中钨材料损伤行为的研究进展

轻核聚变反应产生的核能是解决能源问题的有效途径。但核聚变堆中材料的工作环境苛刻,钨凭借其优异性能成为今后核聚变装置中最有前途的备选材料,然而纯钨用于聚变堆时,存在韧脆转变温度较高、再结晶温度低、辐照硬化和脆化以及难加工等问题。因此,引入钨基材料以达到解决上述问题的目的。在此基础上,介绍了钨和钨基材料在等离子体辐照、高热负荷以及高能中子辐照作用下的损伤行为,讨论了损伤机理,并指出了尚需研究的若干关键问题。     

核聚变堆偏滤器热沉材料研究现状及展望

偏滤器是磁约束核聚变装置最为关键的系统之一,直接承受强粒子流和高热流的冲击,服役环境十分苛刻,而满足偏滤器运行环境的热沉材料是聚变堆正常运行的关键之一.受控核聚变领域近30年的研究和工程经验表明,铜合金以高热导率、较高的强度、较好的热稳定性和抗中子辐照性能被认为是聚变堆偏滤器用热沉材料的首要候选材料,也可能是水冷偏滤器热沉材料的唯一候选材料.但是,根据现有商用铜合金在下一代聚变堆(中国聚变工程试验堆(CFETR)和示范性聚变核电厂(DEMO))偏滤器模拟工况下的表现,发现其无法满足CFETR偏滤器的运行要求.目前,CFETR装置的设计和预研工作己经开展并按计划稳步推进,此时适用于高热负荷部件的热沉材料研制工作就显得十分重要.本文依据中国聚变能发展路线图,介绍了下一代聚变堆偏滤器热沉材料的服役工况及其对热沉材料的要求,对现有的铜合金在下一代聚变堆偏滤器运行环境下可能存在的问题进行综合评述,最后针对我国CFETR偏滤器热沉材料的相关问题提出了应对策略.     

核聚变用超导材料辐照效应的研究进展

超导是磁约束核聚变装置建立和发展的基础,其性能至关重要。在磁约束聚变堆中,超导磁体因其特殊的位置会受到粒子或射线的辐照。因此,研究人员一直在研究辐照后超导材料的性能变化。目前,Nb_3Sn、YBa_2Cu_3O_(7-δ)(YBCO)和Bi_2Sr_2CaCu_2O_(8+δ)(Bi-2212)是面向核聚变备选的几种超导材料。在辐照下,上述3种超导材料内部的缺陷密度会升高,以及产生碰撞级联、空位等缺陷。本文综述了这3种超导材料在不同辐照条件下的性能变化的研究进展,提出了这3种超导材料以后的研究方向。     

用不同方法沉积在细晶粒石墨上的钨膜的性能

在磁约束核聚变中，面向等离子体的部件必需能承受高的热载荷(在转向器中高达10MW/m2)，且在高能等离子体轰击下溅射量低。目前大多数实验装置都使用石墨或碳纤维增强复合材料制作这类部件。碳具有优良的热物理性能，能承受高的热载荷。在氢轰击下具有低辐射冷却势，且在核聚变的典型等离子体温度下完全电离，不产生射线。但对使用氚的反应器却遇到了困难：碳的腐蚀及随后沉积形成的非晶碳氢化合物层会导致反应器内残留氚过量。因此，必须发展一种替代材料。钨由于在氢轰击下具有高的溅射门槛值且熔点高而被认为是一种有希望的替代材料。但…     

聚变堆结构材料表面阻氚涂层的制备与展望

核聚变能作为一种清洁可持续能源,对人类社会发展面临的能源问题有着重要研究意义。聚变堆燃料主要为氘和氚,虽然氘在地球上储量丰富,但氚却需要通过聚变堆附属的氚工厂来自给自足。因此,如何防止燃料尤其是氚的泄漏损失,并防止结构材料损伤成为聚变堆正常运行的关键。在聚变堆系统中存在着大量结构钢材料,如316L和RAFM钢,在其结构材料表面应用阻氚涂层可以有效地阻止氚渗透损失并保护材料。主要综述了国内外阻氚涂层的种类以及制备方法,并对阻氚涂层的发展进行了展望。     

钨铼合金制备工艺及其热负载行为的研究现状

钨凭借其优异的性能,已成为核聚变堆面向等离子体材料的候选材料之一。在核聚变堆运行过程中,钨将面临高热负载辐照、高氢/氦等离子体辐照和高能中子辐照。其中,钨经中子辐照后会产生嬗变元素铼,随着核聚变反应的进行,这些元素将在钨中持续产生和积累,形成嬗变产物钨铼合金。因此,钨面向等离子体材料的热力学参数和耐热负载性能会发生变化,这将关系到钨面向等离子体材料的服役性能,甚至关系到反应堆的稳定运行问题。目前,由于在实验室条件下核聚变高能中子的产生受限,故而对嬗变产物钨铼合金的研究主要基于实验室制备的钨铼合金。本文综述了现阶段钨铼合金的主要制备工艺及其热负载行为,分析了钨铼合金热辐照行为中存在的问题,希望能为未来核聚变堆中钨面向等离子体材料的早日应用提供参考。     

碳钢工艺管线对接焊缝自动超声波检测评定试块的设计与制作

为推动自动超声波检测技术在碳钢工艺管线对接焊缝中的应用,替代传统的射线检测方法,需要在专业的评定试块上演示,验证工艺的可行性。而规范案例中只提出了评定试块的总体要求,没有具体指导如何加工制作。为了解决该问题,结合工程实际,设计并制作了人工反射体专用评定试块,验证了衍射时差法(TOFD)结合相控阵超声波检测法(PAUT)工艺的检测结果,对新工艺的应用起到了关键作用。     

固体氧化物燃料电池电解质和电极材料的研究进展

固体氧化物燃料电池（SOFC）具有能量转换率高、比能量高、效率高、低排放、燃料可以连续供给等一系列优点,因而受到人们的普遍关注。本文对SOFC的电解质和电极材料的研究进展做了介绍,并指出了其研究中遇到的问题和今后发展的方向。     

多层管HIP焊接界面脱粘涡流检测数值模拟研究

采用热等压焊接(HIP)的界面焊接多层管是托卡马克装置换热结构典型部件,其界面焊接不良或脱粘会严重影响材料的传热性能。针对多层管HIP焊接界面裂纹的涡流检测问题,本研究基于退化向量位(Ar)涡流检测分析程序数值模拟分析了双功能DF Bobbin涡流探头的检出性能。数值计算结果表明,对于较大界面脱粘缺陷,基于DF Bobbin探头的涡流检测是可行的。探讨了探头参数(包括探头线圈间距、宽度及外径)与检测性能的相关性,为优化检测探头提供了依据。     

铁电材料的研究进展

铁电材料的优秀电学性能孕育了它广阔的应用前景,其电子元件有着集成度高、能耗小、响应速度快等众多优点。而且目前研究者将铁电材料同其它技术相结合,使新诞生的集成铁电材料性能更为优秀。介绍了铁电材料的发展历史和当前的研究概况。详细描述了几种铁电材料的性能特点与研究进展,包括压电材料及在微机电系统中的应用,储能用铁电介质材料,有机铁电薄膜材料,具备2种以上初级铁性体特征的多铁材料,铁电阻变材料等。最后,总结了铁电材料研究中尚未解决的技术问题,并展望了铁电材料的发展趋势。     

Plasma-Sprayed Beryllium on Macro-Roughened Substrates for Fusion Reactor High Heat Flux Applications

The development of beryllium first wall (FW) plasma facing components for future magnetic confinement fusion experiments, such as the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), is a topic of great importance as research into long-term energy sources increases in urgency. The FW components must be able to survive the harsh plasma environment for extended periods of time. One proposed method for initial fabrication and repair of FW components is plasma spraying. Previous plasma-sprayed beryllium mock-up FW components had coating separation from the substrate at the edges. The present work describes experiments to produce beryllium mock-up FW components by plasma spray deposition on macro-roughened substrates. Experimental parameters, high heat flux testing and characterization results from the components are presented. No separation of the coating from the substrate was observed. Results of high heat flux testing under electron beam irradiation show performance exceeding that required for ITER FW components. Differences in macro-roughening features result in changes in the threshold absorbed heat flux before damage to the coatings occurs.     

High-performance anode materials for Na-ion batteries

Na-ion batteries are considered a promising alternative to Li-ion batteries for large-scale energy storage systems due to their low cost and the natural abundance of Na resource. Great effort is making worldwide to develop high-performance electrode materials for Na-ion batteries,which is critical for Na-ion batteries. This review provides a comprehensive overview of anode materials for Na-ion batteries based on Na-storage mechanism: insertion-based materials, alloy-based materials, conversion-based materials and organic composites. And we summarize the Nastorage mechanism of those anode materials and discuss their failure mechanism. Furthermore, the problems and challenges associated with those anodes are pointed out,and feasible strategies are proposed for designing highperformance anode materials. According to the current state of research, the search for suitable anode materials for Na-ion batteries is still challenging although substantial progress has been achieved. Nevertheless, we believe that high-performance Na-ion batteries would be promising for practical applications in large-scale energy storage systems in the near future.     

基于水浸超声的ITER超导线缆铠甲套管无损检测方法

ITER托卡马克装置极向场线圈需要大量CICC超导线缆,不锈钢铠甲套管是其重要组成部分,具有承力和液氦冷却剂容器的功能。为确保极向场线圈的安全,需要采用无损检测方法对套管产品质量进行检测、控制。由于PF线圈不锈钢套管外方内圆的截面形状,目前国内尚未确立对应的无损检测方法,需要开发新的检测系统。针对上述问题,提出了基于常规水浸超声与相控阵水浸超声的无损检测方法,通过制作包含人工缺陷的模拟试件,对水浸超声检测方法的有效性进行了试验验证,结果表明,该方法可满足铠甲套管的无损检测要求。     

20Mn2半挂车轴环状开裂分析

某公司 20Mn2半挂车轴在调质后矫直工序中,轴部位出现环状开裂现象,通过光学显微镜（OM）、扫描电镜 （SEM）和能谱仪（EDS）等对环状开裂区域试样的显微组织与微区成分进行了分析。检测结果表明：半挂车轴出现的环状开裂与钢管靠近内壁区域局部存在的大量呈聚集状态分布的夹杂物有关。     

湿砂型冷芯铸造缸体的缺陷分析及对策

对大众系列发动机缸体开发过程中遇到的铸造缺陷进行了原因分析,并提出了相应的解决措施：（1）解决水套内腔局部断芯的措施有：使用特种砂替代硅砂、改进水套砂芯涂料工艺、严格控制原材料工艺参数、保证砂芯具有足够强度;（2）解决缸体顶面水套外壁夹砂的措施有：应用天然钠土替代部分人工活化土、缩短水套外壁受热辐射时间、减少砂芯发气量、增强铸型排气效率;（3）解决缸体外表面粘砂的措施有：细化型砂粒度、增加砂型孔隙阻力,增加砂型气体背压、阻止金属液侵入砂型孔隙,控制旧砂温度与水分、减少铸件热粘砂,优化型砂参数,等.