CN108039209B - 用于聚变反应堆的具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于聚变反应堆的具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件，包括单块，单块中心开有中心通孔，单块的中心通孔中穿过有复合管，中心通孔和复合管之间设有中间适配层，单块由钨或钨合金材料制成，复合管由Al2O3弥散强化CuCrZr基材料制成，或者由钨纤维增强CuCrZr基材料制成，或者由钨颗粒增强CuCrZr基材料制成，或者由钨纤维增强铜基材料制成，或者由钨颗粒增强铜基材料制成，中间适配层由钨铜合金梯度层或者钨铁合金梯度层制成。本发明具有较高的高温强度和中子辐照下较宽泛的使用温度范围，可以承受10‑20 MW/m2的热负荷，比较适合用于将来的聚变示范堆或者反应堆的偏滤器区域。
Description
技术领域
本发明涉及聚变反应堆单块类型构件领域，具体是一种用于聚变反应堆的具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件。
背景技术
面向等离子体构件（Plasma Facing Component, PFCs）是暴露于等离子体的构件。在聚变反应堆中，偏滤器区域的PFCs将承受10-20 MW/m2的热负荷，以及较强的中子辐照载荷。聚变堆每满功率运行一年，在偏滤器区域对铜元素会造成约3-10 dpa的中子辐照损伤，对钨元素会造成约2-6 dpa的中子辐照损伤。为了实现PFCs的功能，其一般由面向等离子体材料（Plasma Facing Material, PFM）和热沉材料，以及中间适配层组成。
面向等离子体材料是暴露于等离子体区域的材料，其除了必须与等离子体相容、具有高的熔点、高的抗物理及化学溅射的能力外，还必须具有高的热导率，低的中子活化性和足够的强度和断裂韧性。钨和钨合金（例如，W-La2O3，W-Ta，W-Re，W-ZrC，W-K等合金）将是最有希望的PFM候选材料。
铜及铜合金依其较高的热导率、中等的中子活化性，被认为是用于聚变反应堆偏滤器区域水冷结构PFCs的最好也是唯一可选的热沉材料。在目前的聚变实验堆中，由于聚变中子产额较低，一般采用热导率和机械强度都较高的弥散强化铜合金作为热沉材料，例如CuCrZr、Cu-Al2O3等合金。但是，在将来聚变示范堆或者反应堆中，必须考虑中子辐照对铜和铜合金性能的影响。低温中子辐照将使铜和铜合金产生低温脆化，延伸率甚至降低至0。高温中子辐照将会使铜和铜合金产生肿胀和蠕变，CuCrZr还会产生过时效退化。所以，为了避免这些中子辐照效应，纯铜和铜合金的使用温度必须限制在250-300 ℃这一狭窄的范围内。但是，在聚变反应堆中，偏滤器区域的PFCs将承受10-20 MW/m2的热负荷，热沉材料的温度很难控制在250-300 ℃这一范围内。因此，必须增加热沉材料的高温性能，以及抗中子辐照肿胀和蠕变的性能，拓宽其使用温度范围。Al2O3弥散强化CuCrZr基材料、钨纤维增强CuCrZr基材料、钨颗粒增强CuCrZr基材料、钨纤维增强铜基材料、钨颗粒增强铜基材料等具有较高的高温性能和较好的高温性能稳定性，以及优良的抗中子辐照肿胀和蠕变的性能，具有较为宽泛的使用温度范围，是最为理想的热沉候选材料。
中间适配层必须有效的缓和由于PFM与热沉材料之间的热物理性能不匹配造成的热应力。在目前的聚变实验堆中，一般采用纯铜作为中间适配层。与热沉材料一样，在未来聚变示范堆或者反应堆中，纯铜作为中间适配层也会遇到中子辐照肿胀和蠕变等问题，而且纯铜还会发生较大的塑性变形，因此，此处将会是疲劳损伤的最薄弱之处。钨铜或钨铁梯度层可以有效地缓和热应力，而且具有较好的高温性能稳定性和优良的抗中子辐照肿胀和蠕变的性能，可以提高PFCs的疲劳寿命，是较为理想的中间适配层。
PFCs的结构一般包括单块类型（Monoblock Type）和平板类型（Flat Type）。单块类型的特征是在PFM的中心区域开孔，然后把热沉管穿过开孔与PFM 连接起来。单块类型的PFCs可以减少连接界面的热应力，承受循环高热负荷的冲击，是聚变反应堆偏滤器区域的首选方案。本发明提供的单块类型构件，由钨或钨合金作为面向等离子体材料，颗粒或纤维增强铜基复合材料作为热沉管件，钨/铜或者钨/铁梯度复合材料作为中间适配层，具有较高的高温强度和中子辐照下较宽泛的使用温度范围，可以承受10-20 MW/m2的热负荷，比较适合用于将来的聚变示范堆或者反应堆的偏滤器区域。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于聚变反应堆的具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件，以用于聚变示范堆或者反应堆的偏滤器区域。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
用于聚变反应堆的具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件，其特征在于：包括单块，单块中心开有中心通孔，单块的中心通孔中穿过有复合管，且单块的中心通孔和复合管之间设有中间适配层，所述单块由钨或钨合金材料制成，所述复合管由Al2O3弥散强化CuCrZr基材料制成，或者由钨纤维增强CuCrZr基材料制成，或者由钨颗粒增强CuCrZr基材料制成，或者由钨纤维增强铜基材料制成，或者由钨颗粒增强铜基材料制成，所述中间适配层由钨铜合金梯度层或者钨铁合金梯度层制成。
所述的用于聚变反应堆的具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件，其特征在于：单块采用钨合金材料时，钨合金为W-La2O3、W-Ta、W-Re、W-ZrC、W-K中的一种。
所述的用于聚变反应堆的具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件，其特征在于：Al2O3弥散强化CuCrZr基材料为在CuCrZr管基体内部掺入均匀分布的Al2O3颗粒形成，Al2O3颗粒的含量在0.1~2wt%范围内；更优选地，Al2O3颗粒的含量为0.2~0.5wt%。
所述的用于聚变反应堆的具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件，其特征在于：钨纤维增强CuCrZr基材料为在CuCrZr管基体内部掺入编织的钨长纤维或者均匀分散的短纤维形成，钨纤维的体积含量在10~70%范围内；更优选地，钨纤维的体积含量为20~50%；或者，钨颗粒增强CuCrZr基材料为在CuCrZr管基体内部掺入均匀分布的钨颗粒形成，钨颗粒的体积含量在10~70%范围内；更优选地，钨颗粒的体积含量为20~50%。
所述的用于聚变反应堆的具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件，其特征在于：钨纤维增强铜基材料为在铜管基体内部掺入编织的钨长纤维或者均匀分散的短纤维形成，钨纤维的体积含量在10~70%范围内；更优选地，钨纤维的体积含量为20~50%；或者，钨颗粒增强铜基材料为在铜管基体内部掺入均匀分布的钨颗粒形成，钨颗粒的体积含量在10~70%范围内；更优选地，钨颗粒的体积含量为20~50%。
所述的用于聚变反应堆的具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件，其特征在于：钨铜合金梯度层或者钨铁合金梯度层外形呈圆环状，钨与铜或者钨与铁的体积含量沿着径向梯度变化，钨铜合金梯度层或者钨铁合金梯度层其厚度在0.1 mm~5 mm范围内，钨的体积含量在0~100%范围内连续或者逐层梯度变化；更优选地，钨铜合金梯度层或者钨铁合金梯度层厚度为0.2-2 mm，钨的体积含量在10~90%范围内连续或者逐层梯度变化。
所述的用于聚变反应堆的具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件，其特征在于：利用离心铸造、或3D打印、或激光熔覆、或等离子体喷涂工艺，在单块中心孔内壁表面制作中间适配层，然后，利用钎焊、或热等静压、或胀管扩散焊工艺把复合管与含有中间适配层的单块焊接一起。
所述的用于聚变反应堆的具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件，其特征在于：利用离心铸造、或3D打印、或激光熔覆、或等离子体喷涂工艺制作中间适配层，然后利用钎焊、或热等静压、或胀管扩散焊工艺把单块、中间适配层、复合管三者焊接一起。
所述的用于聚变反应堆的具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件，其特征在于：利用3D打印、或激光熔覆、或等离子体喷涂工艺在复合管外表面制作中间适配层，然后，利用钎焊、或热等静压、或胀管扩散焊工艺把单块与含有中间适配层的复合管焊接在一起。
本发明提供一种用于聚变反应堆中的具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件。该构件由钨或者钨合金作为面向等离子体材料，Al2O3弥散强化CuCrZr基材料、或钨纤维增强CuCrZr基材料、或钨颗粒增强CuCrZr基材料、或钨纤维增强铜基材料、或钨颗粒增强铜基材料作为热沉管件，钨/铜或者钨/铁梯度复合材料作为中间适配层。该构件具有较高的高温强度和中子辐照下较宽泛的使用温度范围，可以承受10-20 MW/m2的热负荷，比较适合用于将来的聚变示范堆或者反应堆的偏滤器区域。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明单块结构示意图。
图3为本发明中间适配层结构示意图。
图4为本发明复合管结构示意图。
具体实施方式
如图1-图4所示，用于聚变反应堆的具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件，包括单块1，单块1中心开有中心通孔2，单块1的中心通孔2中穿过有复合管3，且单块1的中心通孔2和复合管3之间设有中间适配层4，单块1由钨或钨合金材料制成，复合管3由Al2O3弥散强化CuCrZr基材料制成，或者由钨纤维增强CuCrZr基材料制成，或者由钨颗粒增强CuCrZr基材料制成，或者由钨纤维增强铜基材料制成，或者由钨颗粒增强铜基材料制成，中间适配层4由钨铜合金梯度层或者钨铁合金梯度层制成。
单块1采用钨合金材料时，钨合金为W-La2O3、W-Ta、W-Re、W-ZrC、W-K中的一种。
Al2O3弥散强化CuCrZr基材料为在CuCrZr管基体内部掺入均匀分布的Al2O3颗粒形成，Al2O3颗粒的含量在0.1~2wt%范围内；更优选地，Al2O3颗粒的含量为0.2~0.5wt%。
钨纤维增强CuCrZr基材料为在CuCrZr管基体内部掺入编织的钨长纤维或者均匀分散的短纤维形成，钨纤维的体积含量在10~70%范围内；更优选地，钨纤维的体积含量为20~50%。
钨颗粒增强CuCrZr基材料为在CuCrZr管基体内部掺入均匀分布的钨颗粒形成，钨颗粒的体积含量在10~70%范围内；更优选地，钨颗粒的体积含量为20~50%。
钨纤维增强铜基材料为在铜管基体内部掺入编织的钨长纤维或者均匀分散的短纤维形成，钨纤维的体积含量在10~70%范围内；更优选地，钨纤维的体积含量为20~50%。
钨颗粒增强铜基材料为在铜管基体内部掺入均匀分布的钨颗粒形成，钨颗粒的体积含量在10~70%范围内；更优选地，钨颗粒的体积含量为20~50%。
钨铜合金梯度层或者钨铁合金梯度层外形呈圆环状，钨与铜或者钨与铁的体积含量沿着径向梯度变化，钨铜合金梯度层或者钨铁合金梯度层其厚度在0.1 mm~5 mm范围内，钨的体积含量在0~100%范围内连续或者逐层梯度变化；更优选地，钨铜合金梯度层或者钨铁合金梯度层厚度为0.2-2 mm，钨的体积含量在10~90%范围内连续或者逐层梯度变化。
利用离心铸造、或3D打印、或激光熔覆、或等离子体喷涂工艺，在单块1中心孔内壁表面制作中间适配层4，然后，利用钎焊、或热等静压、或胀管扩散焊工艺把复合管3与含有中间适配层4的单块1焊接一起。
利用离心铸造、或3D打印、或激光熔覆、或等离子体喷涂工艺制作中间适配层4，然后利用钎焊、或热等静压、或胀管扩散焊工艺把单块1、中间适配层4、复合管3三者焊接一起。
利用3D打印、或激光熔覆、或等离子体喷涂工艺在复合管3外表面制作中间适配层，然后，利用钎焊、或热等静压、或胀管扩散焊工艺把单块1与含有中间适配层4的复合管3焊接在一起。
鉴于本发明结构的特点，具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件可以通过以下几种制作方法来实现。
制作方法1：
首先，用钨（或者钨合金）板材或者棒材机械加工成钨（或者钨合金）单块，中心区域打孔。然后，利用离心铸造、3D打印、激光熔覆、等离子体喷涂等工艺，在钨（或者钨合金）单块中心孔内壁表面制作钨/铜或者钨/铁梯度层。最后，利用钎焊、热等静压（HIP）、胀管扩散焊（HRP）等工艺把Al2O3弥散强化CuCrZr基材料、或钨纤维增强CuCrZr基材料、或钨颗粒增强CuCrZr基材料、或钨纤维增强铜基材料、或钨颗粒增强铜基材料制成的复合管与含有梯度层的钨（或者钨合金）单块焊接一起，制作成该单块类型构件。
制作方法2：
首先，用钨（或者钨合金）板材或者棒材机械加工成钨（或者钨合金）单块，中心区域打孔。然后，利用离心铸造、3D打印、激光熔覆、等离子体喷涂等工艺制作钨/铜或者钨/铁梯度层。最后，利用钎焊、热等静压（HIP）、胀管扩散焊（HRP）等工艺把钨（或者钨合金）单块、钨/铜或者钨/铁梯度层、Al2O3弥散强化CuCrZr基材料或钨纤维增强CuCrZr基材料或钨颗粒增强CuCrZr基材料或钨纤维增强铜基材料或钨颗粒增强铜基材料制成的复合管三者焊接一起，制作成该单块类型构件。
制作方法3：
首先，用钨（或者钨合金）板材或者棒材机械加工成钨（或者钨合金）单块，中心区域打孔。然后，利用3D打印、激光熔覆、等离子体喷涂等工艺在Al2O3弥散强化CuCrZr基材料、或钨纤维增强CuCrZr基材料、或钨颗粒增强CuCrZr基材料、或钨纤维增强铜基材料、或钨颗粒增强铜基材料制成的复合管外表面制作钨/铜或者钨/铁梯度层。最后，利用钎焊、热等静压（HIP）、胀管扩散焊（HRP）等工艺把钨（或者钨合金）单块与含有钨/铜或者钨/铁梯度层的复合管焊接一起，制作成该单块类型构件。
Claims (9)
1.用于聚变反应堆的具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件，其特征在于：包括单块，单块中心开有中心通孔，单块的中心通孔中穿过有复合管，且单块的中心通孔和复合管之间设有中间适配层，所述单块由钨或钨合金材料制成，所述复合管由Al2O3弥散强化CuCrZr基材料制成，或者由钨纤维增强CuCrZr基材料制成，或者由钨颗粒增强CuCrZr基材料制成，或者由钨纤维增强铜基材料制成，或者由钨颗粒增强铜基材料制成，所述中间适配层由钨铜合金梯度层或者钨铁合金梯度层制成；
钨铜合金梯度层或者钨铁合金梯度层外形呈圆环状，钨与铜或者钨与铁的体积含量沿着径向梯度变化，钨铜合金梯度层或者钨铁合金梯度层其厚度在0.1mm~5mm范围内，钨的体积含量在0~100%范围内连续或者逐层梯度变化。
2.根据权利要求1所述的用于聚变反应堆的具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件，其特征在于：单块采用钨合金材料时，钨合金为W-La2O3、W-Ta、W-Re、W-ZrC、W-K中的一种。
3.根据权利要求1所述的用于聚变反应堆的具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件，其特征在于：Al2O3弥散强化CuCrZr基材料为在CuCrZr管基体内部掺入均匀分布的Al2O3颗粒形成，Al2O3颗粒的含量在0.1~2wt%范围内。
4.根据权利要求1所述的用于聚变反应堆的具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件，其特征在于：钨纤维增强CuCrZr基材料为在CuCrZr管基体内部掺入编织的钨长纤维或者均匀分散的短纤维形成，钨纤维的体积含量在10~70%范围内。
5.根据权利要求1所述的用于聚变反应堆的具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件，其特征在于：钨纤维增强铜基材料为在铜管基体内部掺入编织的钨长纤维或者均匀分散的短纤维形成，钨纤维的体积含量在10~70%范围内。
6.根据权利要求1所述的用于聚变反应堆的具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件，其特征在于：钨铜合金梯度层或者钨铁合金梯度层厚度为0.2-2mm，钨的体积含量在10~90%范围内连续或者逐层梯度变化。
7.根据权利要求1所述的用于聚变反应堆的具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件，其特征在于：利用离心铸造、或3D打印、或激光熔覆、或等离子体喷涂工艺，在单块中心孔内壁表面制作中间适配层，然后，利用钎焊、或热等静压、或胀管扩散焊工艺把复合管与含有中间适配层的单块焊接一起。
8.根据权利要求1所述的用于聚变反应堆的具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件，其特征在于：利用离心铸造、或3D打印、或激光熔覆、或等离子体喷涂工艺制作中间适配层，然后利用钎焊、或热等静压、或胀管扩散焊工艺把单块、中间适配层、复合管三者焊接一起。
9.根据权利要求1所述的用于聚变反应堆的具有梯度适配层的偏滤器单块类型构件，其特征在于：利用3D打印、或激光熔覆、或等离子体喷涂工艺在复合管外表面制作中间适配层，然后，利用钎焊、或热等静压、或胀管扩散焊工艺把单块与含有中间适配层的复合管焊接在一起。
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