聚变堆偏滤器钨涂层研究进展

钨涂层是最有希望的聚变堆偏滤器高热负荷面对等离子体材料。系统总结了钨涂层材料、连接及其制备研究进展,分析了钨涂层材料及其与热沉连接存在的问题,提出了偏滤器高热负荷面对等离子体钨涂层铁素体钢热沉材料(W/ODS)连续制备的发展方向,分析了钨涂层制备方法的优缺点,指出了电子束物理气相沉积(EBPVD)方法连续制备大面积的、显微结构可控的W/ODS的研发方向。     

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.     

TER屏蔽模块前端盖板316LN真空电子束焊接工艺研究

ITER屏蔽包层模块是一种多冷却通道的316LN不锈钢部件，部件制作的关键技术包括冷却通道上前端盖板的小熔深焊接。本文针对10mm、5mm两种不同熔深要求的316LN屏蔽包层模块小熔深焊接技术难题，开展了电子束焊接结构设计和相应的焊接工艺研究。确定了屏蔽包层模块的锁底对接结构，同时确定了不同熔深下锁底对接的衬底宽度。实验结果证明，该工艺方法满足技术条件要求，确保了焊缝达到稳定可靠的焊接质量。同时通过该工艺研究取得了大量性能试验数据，为ITER屏蔽包层模块的设计提供了技术输入。     

W/CuCrZr偏滤器焊接模块高热负荷试验温度场分析

利用热等静压扩散焊接技术制备了国际热核聚变试验反应堆（ITER）偏滤器部件的W/CuCrZr焊接模块,并通过电子束试验装置考察模块的耐热负荷性能。为了进一步的考察模块的耐高热负荷性能,利用ANSYS软件模拟计算了稳态和热筛选条件下模块高热负荷（HHF）试验的温度场。结果表明,HHF试验时,试块的最大温度出现在W表面,且W表面的最高温度随着钨块的厚度和吸收功率密度的增大而升高。三种中间层试块,当W块厚度低于8 mm和吸收功率密度低于8 MW/m²时,CuCrZr合金和W材料的最高温度都满足偏滤器PFC设计许用温度的要求。     

基于弥散强化钨基面向等离子体材料研究进展

重点综述了国内外关于氧化物或碳化物作为强化相的钨基面向等离子体材料的力学性能、氢滞留特性以及辐照损伤,发现制备工艺和强化相含量是影响钨基面向等离子体材料力学性能的主要方面,而均匀分散的强化相颗粒所致使的组织致密化程度更高是钨基材料力学性能提高的主要因素。其次,阐述了晶界和晶内的强化相颗粒分散不均表现出的位移损伤、气泡、绒毛、微裂纹等缺陷都将增加材料对氢同位素的捕获几率,以及等离子体辐照造成的脆化硬化将降低材料的抗热冲击性能。最后分析了近些年弥散强化钨基面向等离子体材料存在的关键基础问题,展望了未来弥散强化钨基材料的主要发展趋势,期望为开发优异的抗高热负荷和辐照损伤的钨基材料方面提供重要参考。     

核聚变等离子体喷涂钨涂层瞬态高热负荷损伤行为

在铜基体上利用等离子体喷涂技术制备了钨涂层面对等离子体材料,分析了喷涂功率对涂层致密性、传热性能、表面粗糙度等性能的影响,利用Nd∶YAG激光器对等离子体喷涂钨涂层瞬态高热负荷作用下的损伤行为进行研究。研究发现,瞬态高热负荷仅在涂层表面传递,涂层破坏主要发生在表面,涂层内部没出现明显损伤。损伤演变行为是:表面局部熔化、微裂纹形成,熔区扩展并向外挤压熔化的钨涂层、主次裂纹出现,涂层加热区沸腾并伴随蒸发、溅射现象。     

等离子体纳米织构化聚合物表面的液滴蒸发机制∗

超疏水性表面的微纳结构改变极大影响了液体蒸发行为,在超疏水性材料工程应用方面具有重要研究价值。 采用氧等离子体处理(OPT)和八氟环丁烷等离子体聚合沉积(FPD)的两步等离子体纳米织构化法在聚丙烯表面制备纳米线和纳米锥结构,研究具有不同纳米织构聚丙烯超疏水性表面的去离子水滴在 30 ℃和 60 ℃温度下的蒸发行为,并对其蒸发机制进行讨论和分析。 结果表明:液滴在超疏水性表面总蒸发时间随 FPD 时间的增加变短。 液滴蒸发初期,液滴在聚丙烯表面处于 Cassie 态,此时主要传热方式为聚丙烯表面通过气体与液滴间接传热,液滴均匀蒸发,蒸发模式为恒定接触角(CCA)模式;随蒸发时间增加,液滴在表面的浸润状态依次转变为 Marmur 态和 Wenzel 态,主要传热方式变为聚丙烯表面与液滴直接传热,液滴蒸发加快,蒸发模式转变为混合(Mixed)模式。 聚丙烯表面纳米织构的尺寸增大和团簇增加导致液滴与超疏水性表面之间的气相占比减少,造成聚丙烯表面与液滴直接传热加强,促进了液滴从 CCA 到 Mixed 的蒸发模式转变。     

W/CuCrZr合金热等静压焊接

采用热等静压(HIP)焊接技术制备W/Cu Cr Zr偏滤器部件焊接模块,分别研究以物理气相沉积(PVD)制备的40μm铜涂层作为过渡层,以2 mm厚的TU1铜片作为过渡层以及无过渡层3种结构模块的焊接界面质量。通过扫描电子显微镜(SEM)、超声波无损探伤仪(NDT)、力学拉伸试验机和电子束高热负荷试验装置分别对焊接模块的微观形貌、焊接缺陷、力学性能和高热负荷性能进行检测分析。结果表明:HIP焊接工艺参数为(940℃,120MPa,2 h)时,采用40μm铜涂层为过渡层的模块焊接界面结合质量最高,且没有缺陷,经过入射功率密度为20MW/m2的高热负荷试验也没有失效。因此,该工艺是3种工艺参数下钨/铜合金偏滤器模块制造的最佳制备技术。     

偏滤器中钨与异种材料的连接技术研究进展

偏滤器是现代磁约束核聚变堆试验装置中一个非常重要的部件,其中面向等离子体材料、热沉材料和结构材料之间物理性能差异大的异种材料的连接是一个技术难题。电子束焊接技术、钎焊技术、热等静压技术、烧结-熔渗法、铸造技术、涂层技术等连接技术用于钨与铜、钨与钢的连接,功能梯度材料和中间过渡层的使用有效降低了连接部件的热应力。本文对水冷和氦冷2种偏滤器中钨及其合金材料与铜、低活化钢的连接技术进行了评述和展望。     

ITER校正场线圈氦冷却管焊接数值模拟

国际热聚变试验堆(ITER)校正场线圈(CC)氦冷却管和铠装电缆导体(CICC)铠甲焊接时,需控制超导缆的温度不高于250℃,以免影响其超导性能。本文利用焊接有限元分析软件SYSWELD模拟了3种方案下氦冷却管和CICC铠甲焊接的温度场变化,在理论上找到了合理的焊接工艺参数,在此基础上进行了相应的焊接试验。试验结果和模拟结果的趋势较为吻合,证明了有限元分析的正确性,为ITER多种类似结构的预焊接工艺制订提供了依据;同时,并通过不同方案的对比得到了最优焊接方案。     

非晶带材成形用冷却铜辊内流道传热数值模拟

非晶带材成形采用急速冷却方法,其中冷却铜辊内流道设计是非晶带材成形装备研究中的关键问题。根据带材成形的冷却工艺要求,提出了冷却铜辊内流道设计准则。在此基础上,设计出4种典型的冷却铜辊内流道结构。采用流-固耦合传热方法对所设计的4种不同的冷却铜辊内流道流场进行数值模拟分析,得到了不同流道结构所对应的压力场、温度场随进水流量的变化规律。为了评价内流道的换热能力,提出了内流道综合换热系数作为量化换热能力的指标。分析表明:散射肋形流道进出口压降较小,且其换热能力优于其他3种结构,适用于冷却铜辊内流道结构。     

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.     

控轧控冷技术的发展及在钢管轧制中应用的设想

传统控轧控冷(TMCP)技术由于受到冷却能力的限制,对钢材性能的提高有一定局限性.为了进一步强化钢材的性能,提出了以超快速冷却技术为核心的新一代控轧控冷(NG-TMCP)技术.该技术提高了钢的细晶强化、析出强化、相变强化等多种强化机制,充分挖掘了钢材的潜力.介绍了NG-TMCP技术目前在热轧带钢、中厚板、棒线材及H型钢...     

3D打印可生产高强度延展性不锈钢部件

<正>近日,英国伯明翰大学、瑞典斯德哥尔摩大学和浙江大学的联合研究团队研发一种高强度和延展性的新型不锈钢SLM 3D打印技术,克服了增材制造要求具有强度和延展性特质的瓶颈,该工艺可用于制造航空航天和汽车行业的重型部件。新型选择性激光熔化(SLM)技术能打印前所未有的形状,提供超快的冷却速度-1 000℃/s～1×108℃/s,     

纯钛管用于试验超导线圈的开发

日本原子能研究所 (原研 )与欧共体、俄罗斯、美国合作建立国际热核聚变实验堆(ITER) ,1 992年开始进行工程设计活动(EDA)。该 EDA进行了各种先进装置的技术开发 ,而超导线圈的开发是其中的一项。环形磁场线圈 (TF线圈 )是由俄罗斯的埃夫列莫夫电气物理工程研究所制造的 ,是由日本原子能研究所设计、开发的 ,用钛管作包套组装 Nb3Sn超导线。下面简述日本原子能研究所研发的采用纯钛管组装超导线圈的优点及其开发成果。图 1　试验线圈图示试验用超导线圈是由 Nb3Sn超导线1 1 52根 (直径 0 .81 mm)的绞合线封入纯钛管中 (管壁厚 2 mm,…     

热轧层流密集冷却控制的研究与应用

随着TMCP技术的发展,通过合理设计合金元素含量和在线快冷工艺,可实现相变强化、细晶强化和亚晶强化,从而实现热轧卷板强度、塑性、韧性和可焊性的良好匹配。考虑到特殊品种结构对超快层流冷却速率的要求,太钢对2 250 mm热轧生产线层流冷却区域进行了全线加密设备改造,通过采用密集快冷卷取温度控制技术,实现了高强度管线钢的减量化生产。     

带钢连续退火炉喷气冷却技术的发展

总结了带钢连续退火炉喷气冷却技术的发展历程和在国内的应用情况;重点阐述了3种主流喷气冷却技术的结构特点:(1)喷缝式冷却风箱为立式长方体结构,风箱背面为保护气体进气口,正面安装有窄缝式喷嘴,风箱从进气口至喷嘴设有气体隔板,可由边部挡板根据带钢的宽度对边部所吹的气体流量进行调节,与传统的喷箱相比,无论是换热效率还是冷却速率都有了大幅度的提高。(2)高速冷却模块采用圆筒形炉膛设计,炉膛下部和上部各设计了1对冷却模块,在每对冷却模块的上下均布置了可以移动的稳定辊,同时在下部设置了密封装置,冷却模块为矩形喷射梁开孔的形式,由于圆筒形的炉膛和喷梁开孔结构的高速冷却模块的刚度都很高,因而非常适合采用高氢介质实现带钢的快速冷却。(3)高速“气线”分区冷却箱在带钢两侧均并排布置了5个冷却风箱,在风箱上横向安装了若干排喷气片,每个喷气片末端设计有扁形高速喷气管道,可以喷出高速度、小直径的“气线”,热气溢流速度快、换热效率高,可以保证带钢横向温差在3 ℃以内,不会产生瓢曲问题。此外,分析了喷气冷却系统的设计要领和核心技术。最后指出:镀锌和退火是钢铁产品生产的最终工序,冷却设备技术完全依赖其他国家的现状已经制约了汽车板新技术的发展,特别是高强钢新产品的开发。我国要实现“碳中和、碳达峰”的目标,不但汽车行业需要更加先进的高强钢,其他所有行业也必须推广应用高强钢,因此实现连续退火炉喷气冷却技术的国产化非常紧迫;同时,给出了今后该技术的研发思路。     

基于直接蒸发冷却技术的家用空调系统性能分析

本文提出了一种适用于家庭的直接蒸发冷却空调系统的新形式.利用浅水井中的冷水先对一部分空气降温,与另一部分空气混合,经过布水网直接蒸发冷却,再与冷凝器换热,降低空调器能耗.冬季制热时充分利用太阳能集热器产生的热水,加热室外空气,提高与室外机换热器的换热效果,不仅有利于除霜,还能提高空调能效.     

核电站用起吊三脚架锻件的磁粉检测工艺

起吊三脚架组件是三代核电一体化堆顶结构(IHP)系统中的重要受载荷部件。按照设计文件要求,需要在机加工和载荷试验后对起吊三脚架各组件分别进行磁粉检测。其部件异型结构较多,为了制定合理的磁粉检测工艺及选择相关检测设备,需要对各个部件进行分析。文章根据相关标准要求,通过进行参数计算和试验验证,制定出符合检测标准的工艺规范,经验证后其可以满足检测要求。该工艺规范目前己应用于工程实践中,为三代核电国产化提供了质量保证。     

碳化物/氧化物弥散强化钨基材料研究进展

钨(W)具有高熔点(3410℃)、高密度(19.35 g/cm~3)、高硬度、高弹性模量、高热导率以及低膨胀系数、低蒸气压等优异的性能,在国防军工、航空航天和核工业等领域中有着重要的作用。但同时,W及其合金的缺点,如低温脆性(韧脆转变温度通常在400℃以上)、室温抗拉强度低,再结晶脆性、高热负荷开裂及辐照脆化等问题,又严重影响了其加工及服役性能。针对上述问题,国内外开展了碳化物/氧化物弥散强化的钨合金研究,通过纳米级碳化物/氧化物弥散强化及微结构优化,提高了W的力学性能及其它服役性能。本文主要从核聚变第一壁用碳化物、氧化物弥散强化钨基材料的设计、制备、组织与性能调控及服役性能评价等方面进行综述,并介绍了作者研发团队的最新进展,展望了未来发展趋势及待解决的问题。