我国研制的聚变堆第一壁材料为铍/铜/不锈钢三层复合结构
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我国研制的聚变堆第一壁材料为铍/铜/不锈钢三层复合结构。
直面等离子体的材料是铍。铍是原子序数第二低的金属(在聚变堆运行时,第一壁材料受到高能粒子轰击而被溅射出来,越重的元素对聚变等离子体的干扰越大),表面形成致密的氧化膜而具有良好的化学稳定性(与最轻的金属锂相对),不与氢发生作用(不吸收放射性的氚),热导率高。
铜起到导热作用。
铜(黄色金属)与铍(银色块状金属,被称为“铍瓦”)的焊接采用热等静压焊接方法,即在高温高压下把两种金属材料紧密压合,让两者间发生相互的原子扩散而连接起来。焊接时,铍瓦之间用石墨垫片隔开,防止铍的错位和粘连,之后去除石墨垫片,再对铍瓦做横向的线切割,得到马赛克般的表面形状,给材料留出热胀冷缩的空间。
第一壁背后的不锈钢起到支撑、容纳冷却通道、与反应堆钢结构相接连的作用。
不锈钢与铜之间的焊缝采用激光焊接。激光的能量强而高度集中,可以在数十秒内完成这条长而深、精度要求高的焊缝。
在国际热核聚变实验堆(ITER)计划中,我国承担了10%的第一壁制造任务,全部为要承受最强烈热流的增强热负荷型壁板,表面热负荷最高达4.7 MW/m2。作为对比,地球大气层顶部单位面积上受到的太阳辐射值——“太阳常数”是1367 W/m2,即第一壁材料要承受相当于近4000倍太阳辐射的热流。
我国在这一领域虽然起步较晚,2004年核工业西南物理研究院才开始设计研发工作,但进展迅速,2010年我国第一壁材料连接技术通过ITER组织认证,国产高纯度铍也于当年底通过认证,结束了我国无高纯度铍的历史。2013年,第一壁小模块试验件通过高热负荷试验认证,2016年第一壁半原型件通过认证,进度领先于承担40%第一壁研制任务的俄罗斯(也是增强热负荷型),技术水平领先于承担50%任务的欧盟(全部是普通热负荷型,所承受热负荷仅为2 MW/m2)。如今,第一壁完成首件制造,具备了批量制造条件,标志着在这一关键材料和部件领域我国持续领跑世界,既是服务于ITER国际合作,更时为我国自主研制聚变堆提供了坚实的支撑。