CN111415761A - 一种面向等离子体部件及聚变装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向等离子体部件及聚变装置，涉及核聚变技术领域，能够解决当前面向等离子体单元中的钨材料一部分处于低温环境和一部分处于高温环境中，脆性较大，容易形成裂纹，而导致面向等离子体部件失效的难题。该面向等离子体部件包括面向等离子体单元和冷却单元，面向等离子体单元主要由钨材料构成，且至少包括耐热晶粒层和耐冷晶粒层，耐热晶粒层位于面向等离子体单元靠近等离子体热冲击的一侧，耐冷晶粒层位于面向等离子体单元远离等离子体热冲击的一侧；面向等离子体单元沿耐热晶粒层到耐冷晶粒层的方向，所述钨材料的晶粒尺寸由大到小呈梯度变化。本发明用于直接面向等离子体，承受等离子体的热冲击。

Description

一种面向等离子体部件及聚变装置

技术领域

本发明实施例涉及核聚变技术领域，尤其涉及一种面向等离子体部件及聚变装置。

背景技术

聚变能是人类未来最理想的清洁能源。国际热核聚变实验堆利用托卡马克装置实现聚变能的可控利用。托卡马克装置运行时，装置中的面向等离子体材料将承受高能粒子的辐照作用和强热流作用。面向等离子体材料的外表面与环形真空室中的等离子体相互作用，承受很强的热流冲击，处于高温环境；而远离环形真空室的另一端与冷却单元接触，处于低温环境。这样使得，面向等离子体材料内部形成了极高的温度梯度和极大的热应力。

由于金属钨具有熔点高、物理溅射率低、氘氚滞留量低等一系列物理性能优点，被国际热核聚变实验堆选作面向等离子体材料。该钨材料具有较高的韧脆转变温度(约300℃)，表现出明显的脆性，在热应力和热疲劳的作用下，极易出现裂纹并发生开裂，进而导致面向等离子体部件失效。

发明内容

本发明实施例提供一种面向等离子体部件，能够解决当前面向等离子体单元中的钨材料一部分处于低温环境和一部分处于高温环境中，脆性较大，容易形成裂纹，而导致面向等离子体部件失效的难题。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种面向等离子体部件，包括面向等离子体单元和冷却单元，所述冷却单元与所述等离子体单元接触连接，用于冷却所述面向等离子体单元，所述面向等离子体单元主要由钨材料构成，且至少包括耐热晶粒层和耐冷晶粒层，所述耐热晶粒层位于所述面向等离子体单元靠近等离子体热冲击的一侧，用于承受等离子体热冲击，所述耐冷晶粒层位于所述面向等离子体单元远离等离子体热冲击的一侧，用于与所述冷却单元接触连接；所述面向等离子体单元沿所述耐热晶粒层到所述耐冷晶粒层的方向，所述钨材料的晶粒尺寸由大到小呈梯度变化。

可选的，所述耐热晶粒层位于所述面向等离子体单元的外侧，所述耐冷晶粒层位于所述面向等离子体单元的内侧，所述冷却单元贯穿在所述耐冷晶粒层内。

可选的，所述耐热晶粒层位于所述面向等离子体单元的外部靠近等离子体热冲击的一侧，所述耐冷晶粒层位于所述面向等离子体单元的外部远离等离子体热冲击的一侧。

可选的，所述冷却单元贯穿在所述耐冷晶粒层内。

可选的，所述冷却单元连接在所述耐冷晶粒层远离等离子体热冲击的一侧。

可选的，所述冷却单元包括冷却管，所述耐冷晶粒层与所述冷却管接触连接；或，所述冷却单元包括冷却管与连接过渡层，所述冷却管贯穿于所述连接过渡层内，所述耐冷晶粒层与所述连接过渡层接触连接。

可选的，所述耐热晶粒层的晶粒尺寸大于1微米，所述耐冷晶粒层的晶粒尺寸小于或等于1微米。

可选的，所述面向等离子体单元沿所述耐热晶粒层到所述耐冷晶粒层的方向，所述耐冷晶粒层包括第一耐冷晶粒层和第二耐冷晶粒层，所述第一耐冷晶粒层的晶粒尺寸小于等于1微米且大于等于0.1微米，所述第二耐冷晶粒层的晶粒尺寸小于0.1微米。

可选的，所述面向等离子体单元沿所述耐热晶粒层到所述耐冷晶粒层的方向，厚度范围为10～50毫米。

可选的，所述面向等离子体单元沿所述耐热晶粒层到所述耐冷晶粒层的方向，所述耐热晶粒层的厚度范围为1～10毫米。

本发明实施例的面向等离子体部件，由于面向等离子体单元主要由钨材料构成，且至少包括耐热晶粒层和耐冷晶粒层，耐热晶粒层位于面向等离子体单元靠近等离子体热冲击的一侧，用于承受等离子体热冲击，耐冷晶粒层位于面向等离子体单元远离等离子体热冲击的一侧，用于与冷却单元接触连接；面向等离子体单元沿耐热晶粒层到耐冷晶粒层的方向，钨材料的晶粒尺寸由大到小呈梯度变化。这样，面向等离子体单元的承受等离子体的热冲击的部分为晶粒尺寸较大的耐热晶粒层，即为在高温下热稳定性和力学性能较好的粗晶钨；而与冷却单元接触的部分为晶粒尺寸较小的耐冷晶粒层，即为在低温下热稳定性和力学性能较好的细晶钨。进而，面向等离子体单元的耐热晶粒层具有高温韧性，即使承受高温(1000℃以上)热冲击，其力学性能也不发生明显恶化；而面向等离子体单元的耐冷晶粒层具有低温韧性，处于低温(室温至800℃)环境，具有较高的强度和韧性，能够显著地阻碍裂纹产生。相比现有技术，整体性能和使役性能得到了极大优化和提升，具有更好的热应力承受能力和抵抗热疲劳的性能，解决了当前面向等离子体单元中的钨材料一部分处于低温环境和一部分处于高温环境中，脆性较大，容易形成裂纹，而导致面向等离子体部件失效的问题。

第二方面，本发明的实施例提供了一种聚变装置，包括上述的面向等离子体部件。

本发明实施例提供的聚变装置，由于包括上述的面向等离子体部件，因此具有同样的技术效果，即，能够解决当前面向等离子体单元中的钨材料一部分处于低温环境和一部分处于高温环境中，脆性较大，容易形成裂纹，而导致面向等离子体部件失效的难题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的面向等离子体部件的立体结构示意图；

图2为本发明实施例的面向等离子体部件的面向等离子体单元的外侧均为耐热晶粒层的截面结构示意图；

图3为本发明实施例的面向等离子体部件的面向等离子体单元的外侧仅一部分为耐热晶粒层的截面结构示意图；

图4为粗晶钨和细晶钨的断裂强度与温度的关系的示意图；

图5为粗晶钨和细晶钨的断裂韧性与温度的关系的示意图；

图6为本发明实施例的面向等离子体部件的冷却单元包括冷却管和连接过渡层的立体结构示意图；

图7为本发明实施例的面向等离子体部件的冷却单元包括冷却管和连接过渡层的截面结构示意图；

图8为本发明实施例的面向等离子体部件的面向等离子体单元的截面结构示意图。

附图标记：

1-面向等离子体单元；11-耐热晶粒层；12-耐冷晶粒层；121-第一耐冷晶粒层；122-第二耐冷晶粒层；2-冷却单元；21-连接过渡层；22-冷却管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

为更好地理解本发明实施例，下面先对本发明实施例涉及的关键术语和技术缩略语做具体解释说明。

国际热核聚变实验堆计划：是包括中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国、印度共同参与的国际科技合作项目，旨在实现聚变能的可控利用。

托卡马克装置：是国际热核聚变实验堆计划正在大力研制的能够实现聚变能可控利用的装置。

面向等离子体部件：是托卡马克装置中直接承受环形真空室中高温等离子体的热冲击以及将热量载出的部件。

面向等离子体单元：是面向等离子体部件中直接面向等离子体、承受等离子体热冲击的单元，通常由钨材料构成。

韧脆转变温度：低于某一临界温度时，材料表现出脆性断裂；高于此温度时，材料则表现出韧性断裂。

断裂韧性：表征材料抵抗裂纹扩展的能力，断裂韧性值越高，材料抵抗裂纹扩展能力越强。

回复和再结晶：材料内部结构缺陷减少，晶粒重新形核和长大的过程。

粗晶钨：晶粒尺寸大于1μm的钨材料。

细晶钨：晶粒尺寸小于1μm的钨材料，其中，晶粒尺寸0.1～1μm的钨材料为超细晶钨材料，晶粒尺寸小于0.1μm的钨材料为纳米晶钨材料。其中，等于1μm的钨材料可以划分为粗晶钨也可以划分为细晶钨，等于0.1μm的钨材料可以划分为超细晶钨也可以划分为纳米晶钨。

本发明实施例提供了的面向等离子体部件，如图1、图2和图3所示，包括面向等离子体单元1和冷却单元2，冷却单元2与等离子体单元1接触连接，用于冷却面向等离子体单元1，面向等离子体单元1主要由钨材料构成，且至少包括耐热晶粒层11和耐冷晶粒层12，耐热晶粒层1位于面向等离子体单元1靠近等离子体热冲击的一侧，用于承受等离子体热冲击，耐冷晶粒层12位于面向等离子体单元1远离等离子体热冲击的一侧，用于与冷却单元2接触连接；面向等离子体单元1沿耐热晶粒层11到耐冷晶粒层12的方向，钨材料的晶粒尺寸由大到小呈梯度变化。

本发明实施例的面向等离子体部件，如图1、图2和图3所示，由于面向等离子体单元1主要由钨材料构成，且至少包括耐热晶粒层11和耐冷晶粒层12，耐热晶粒层11位于面向等离子体单元1靠近等离子体热冲击的一侧，用于承受等离子体热冲击，耐冷晶粒层12位于面向等离子体单元1远离等离子体热冲击的一侧，用于与冷却单元2接触连接；面向等离子体单元1沿耐热晶粒层11到耐冷晶粒层12的方向，钨材料的晶粒尺寸由大到小呈梯度变化。这样，面向等离子体单元1的承受等离子体的热冲击的部分为晶粒尺寸较大的耐热晶粒层11，即为在高温下热稳定性和力学性能较好的粗晶钨；而与冷却单元2接触的部分为晶粒尺寸较小的耐冷晶粒层12，即为在低温下热稳定性和力学性能较好的细晶钨。进而，面向等离子体单元1的耐热晶粒层11具有高温韧性，即使承受高温(1000℃以上)热冲击，其力学性能也不发生明显恶化；而面向等离子体单元1的耐冷晶粒层12具有低温韧性，处于低温(室温至800℃)环境，具有较高的强度和韧性，能够显著地阻碍裂纹产生。相比现有技术，整体性能和使役性能得到了极大优化和提升，具有更好的热应力承受能力和抵抗热疲劳的性能，解决了当前面向等离子体单元1中的钨材料一部分处于低温环境和一部分处于高温环境中，脆性较大，容易形成裂纹，而导致面向等离子体部件失效的问题。

需要说明的是，粗晶钨处于高温(1000℃以上)环境中时，在热激活作用下可滑动的位错增多，从而发生韧脆转变，塑性变形能力和韧性得到改善，但是处于低温(室温到800℃)环境中时，其塑性变形几乎为零，韧性较低。这样使得，当将粗晶钨用作面向等离子体材料时，与冷却单元接触的部分处于低温环境，极易出现裂纹并发生开裂，进而导致面向等离子体部件失效。

细晶钨相对于粗晶钨，由于其韧脆转变温度较低，低温韧性相对有所提高，处于低温(室温到800℃)环境时，不易出现裂纹而发生开裂。参考图4和图5所示，经过试验可知，在低温(室温到约800℃)下细晶钨的断裂强度显著高于粗晶钨的断裂强度，同时细晶钨的断裂韧性也数倍高于粗晶钨的断裂韧性。这意味着细晶钨在低温(室温到约800℃)条件下具有较强的阻碍裂纹扩展能力。但是，在高于1000℃条件下，其热稳定性较差，回复和再结晶驱动力大，晶粒极易长大，形成带有织构的粗晶钨，使得强度和韧性大大降低，进而加剧钨的脆化。这样使得，当将细晶钨用作面向等离子体材料时，直接面向等离子体热冲击的部分处于高温环境，致使细晶钨发生回复和再结晶，转变为带有织构的粗晶钨，塑性变形能力和抵抗裂纹扩展能力严重弱化，容易在热应力和热疲劳的作用下形成裂纹，进而导致面向等离子体部件失效。

因此，本发明实施例的面向等离子体部件，由于面向等离子体单元1的承受等离子体的热冲击的部分为粗晶钨；而与冷却单元2接触的部分为细晶钨，因此具有更好的热应力承受能力和抵抗热疲劳的性能，解决了当前面向等离子体单元1一部分处于低温环境和一部分处于高温环境中，脆性较大，容易形成裂纹，而导致面向等离子体部件失效的问题。

面向等离子体单元1的形状结构以及其与冷却单元2的连接方式可以根据实际需要灵活设置，示例的，下面介绍几种实现方式。

当面向等离子体单元1的外侧均需要承受等离子体热冲击时，就需要面向等离子体单元1的外侧均为耐热晶粒层11，具体的，如图1和图2所示，耐热晶粒层11位于面向等离子体单元1的外侧，对应的，耐冷晶粒层12位于面向等离子体单元1的内侧，冷却单元2贯穿在耐冷晶粒层12内。这样，面向等离子体单元1外侧的耐热晶粒层11可以承受等离子体热冲击，内侧由冷却单元2导热冷却。

当面向等离子体单元1的外侧仅一部分需要承受等离子体热冲击时，其他外侧的位置就可以设置成耐冷晶粒层12，用以与冷却单元2连接。如图3、图6和图7所示，耐热晶粒层11位于面向等离子体单元1的外部靠近等离子体热冲击的一侧，耐冷晶粒层12位于面向等离子体单元1的外部远离等离子体热冲击的一侧。

在面向等离子体单元1的外侧仅一部分需要承受等离子体热冲击时，冷却单元2与耐冷晶粒层12的连接可以有两种方式，可以是如图1和图3所示的，冷却单元2贯穿在耐冷晶粒层12内，也可以是如图6和图7所示的，冷却单元2连接在耐冷晶粒层12远离等离子体热冲击的一侧。

需要说明的是，参照图7，冷却单元2设置于面向等离子体单元1的一侧，且连接面向等离子体单元1中细晶钨部分。这样使得面向等离子体单元1仅有靠近冷却单元2的一侧为细晶钨，避开了大块细晶钨不能批量加工制备的技术难题。

冷却单元2可以包括冷却管22，冷却管22内流动有换热介质，这样，耐冷晶粒层12与冷却管22接触连接；或者，冷却单元2包括连接过渡层21与冷却管22，冷却管22贯穿于连接过渡层21内，这样，耐冷晶粒层12与连接过渡层21接触连接。其中，在冷却单元2与面向等离子体单元1的耐冷晶粒层12连接时，如果冷却单元2的结构仅为一个内部可流通有传热介质的冷却管22，冷却管22与耐冷晶粒层12的特定材料之间的连接可能不易实现，尤其是冷却单元2贯穿在耐冷晶粒层12内的方案中，可能出现冷却单元2的冷却管路与耐冷晶粒层12之间连接配合不紧密，具有间隙，进而导致传热效果不好，冷却效果不佳。因此，参照图6和图7，优选地，冷却单元2包括连接过渡层21和贯穿于连接过渡层21内的冷却管22，耐冷晶粒层12与连接过渡层21接触连接。通过连接过渡层21可以将耐冷晶粒层12和冷却管22很好的连接，消除间隙，保证连接稳固和传热效果。

需要说明的是，冷却管22可以由热沉材料制成，连接过渡层21可以由无氧铜材料制成。热沉材料的作用是传导热量，过渡材料的作用是提高热沉材料和面向等离子体材料之间的连接性能。

面向等离子体单元1沿耐热晶粒层11到耐冷晶粒层12的方向，其内部的钨材料的晶粒尺寸由大到小呈梯度变化，可以使耐热晶粒层11为粗晶钨，耐冷晶粒层为细晶钨。具体的晶粒尺寸可以是如下的方式：耐热晶粒层11的晶粒尺寸大于1微米，即为粗晶钨，保证良好的耐热性能；耐冷晶粒层12的晶粒尺寸小于或等于1微米，即为细晶钨，保证良好的耐冷性能。

当然，在梯度变化的条件下，可选的，耐冷晶粒层12还可以包括多层，以耐冷晶粒层12包括两层为例，其晶粒尺寸变化可以是：如图8所示，面向等离子体单元1沿耐热晶粒层11到耐冷晶粒层12的方向，耐冷晶粒层12包括第一耐冷晶粒层121和第二耐冷晶粒层122，第一耐冷晶粒层的晶粒尺寸小于等于1微米且大于等于0.1微米，第二耐冷晶粒层的晶粒尺寸小于0.1微米。即，面向等离子体单元1由粗晶钨、超细晶钨和纳米晶钨三种晶粒尺寸的钨构成。这样使得，构成面向等离子体单元1的钨的晶粒尺寸过渡的更加平缓，使晶粒界面变宽，能有效避免晶粒尺寸突变引起的性能突变，还能使具有相近晶粒尺寸的钨晶粒之间相互协调，进一步优化和提升了面向等离子体单元的热稳定性和力学性能，从而降低了面向等离子体部件失效的可能性。

另外，面向等离子体单元1的厚度以及沿耐热晶粒层11的厚度直接影响着其承受热冲击的能力，其尺寸范围可以为：面向等离子体单元1沿耐热晶粒层11到耐冷晶粒层12的方向，厚度范围为10～50毫米。在实际工艺中，面向等离子体单元1的厚度范围为10～50毫米，可以保证等离子体被限制在面向等离子体单1元围成的环形真空室内。

以及，面向等离子体单元1沿耐热晶粒层11到耐冷晶粒层12的方向，耐热晶粒层11的厚度范围为1～10毫米。

托卡马克装置稳态运行条件下，冷却单元中冷却剂温度范围为100-600℃，面向等离子体单元100直接面向等离子体热冲击的部分整体承受的温度范围在200-600℃，瞬态条件下温度可高达2000℃，甚至超过钨的熔点3410℃。将粗晶钨距离表面的厚度设置为1～10毫米，在该厚度范围内，面向等离子体单元的粗晶钨部分承受的温度在1000℃以上，在该温度条件下粗晶钨具有较好的韧性。将面向等离子体单元1的厚度设置为10～50毫米，可以防止细晶钨承受的温度太高(超过1000℃)而发生回复和再结晶，导致力学性能发生恶化。

面向等离子体单元1主要由钨材料构成，但是实际的生产中为了进一步改善其力学性能，一般会在纯钨中添加第二相或合金元素。例如，面向等离子体单元1中还含有在钨中均匀分布的氧化物颗粒、陶瓷颗粒、钨纤维、碳纤维，以及合金化元素中的任一种。

具体的，氧化物颗粒包括三氧化二镧颗粒、三氧化二钇颗粒和三氧化二铝颗粒中的至少一种，陶瓷颗粒包括氧化钛颗粒和氧化锆颗粒中的至少一种，合金化元素包括铼、钼和铌元素中的至少一种。

第二方面，本发明的实施例提供了一种聚变装置，包括上述的面向等离子体部件。

本发明实施例提供的聚变装置，由于包括上述的面向等离子体部件，因此具有同样的技术效果，即，能够解决当前面向等离子体单元1一部分处于低温环境和一部分处于高温环境中，脆性较大，容易形成裂纹，而导致面向等离子体部件失效的难题。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种面向等离子体部件，包括面向等离子体单元和冷却单元，所述冷却单元与所述等离子体单元接触连接，用于冷却所述面向等离子体单元，其特征在于，所述面向等离子体单元主要由钨材料构成，且至少包括耐热晶粒层和耐冷晶粒层，所述耐热晶粒层位于所述面向等离子体单元靠近等离子体热冲击的一侧，用于承受等离子体热冲击，所述耐冷晶粒层位于所述面向等离子体单元远离等离子体热冲击的一侧，用于与所述冷却单元接触连接；所述面向等离子体单元沿所述耐热晶粒层到所述耐冷晶粒层的方向，所述钨材料的晶粒尺寸由大到小呈梯度变化。

2.根据权利要求1所述的面向等离子体部件，其特征在于，所述耐热晶粒层位于所述面向等离子体单元的外侧，所述耐冷晶粒层位于所述面向等离子体单元的内侧，所述冷却单元贯穿在所述耐冷晶粒层内。

3.根据权利要求1所述的面向等离子体部件，其特征在于，所述耐热晶粒层位于所述面向等离子体单元的外部靠近等离子体热冲击的一侧，所述耐冷晶粒层位于所述面向等离子体单元的外部远离等离子体热冲击的一侧。

4.根据权利要求3所述的面向等离子体部件，其特征在于，所述冷却单元贯穿在所述耐冷晶粒层内。

5.根据权利要求3所述的面向等离子体部件，其特征在于，所述冷却单元连接在所述耐冷晶粒层远离等离子体热冲击的一侧。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的面向等离子体部件，其特征在于，所述冷却单元包括冷却管，所述耐冷晶粒层与所述冷却管接触连接；或，所述冷却单元包括冷却管与连接过渡层，所述冷却管贯穿于所述连接过渡层内，所述耐冷晶粒层与所述连接过渡层接触连接。

7.根据权利要求1～5中任一项所述的面向等离子体部件，其特征在于，所述耐热晶粒层的晶粒尺寸大于1微米，所述耐冷晶粒层的晶粒尺寸小于或等于1微米。

8.根据权利要求7所述的面向等离子体部件，其特征在于，所述面向等离子体单元沿所述耐热晶粒层到所述耐冷晶粒层的方向，所述耐冷晶粒层包括第一耐冷晶粒层和第二耐冷晶粒层，所述第一耐冷晶粒层的晶粒尺寸小于等于1微米且大于等于0.1微米，所述第二耐冷晶粒层的晶粒尺寸小于0.1微米。

9.根据权利要求1～5中任一项所述的面向等离子体部件，其特征在于，所述面向等离子体单元沿所述耐热晶粒层到所述耐冷晶粒层的方向，厚度范围为10～50毫米。

10.根据权利要求1～5中任一项所述的面向等离子体部件，其特征在于，所述面向等离子体单元沿所述耐热晶粒层到所述耐冷晶粒层的方向，所述耐热晶粒层的厚度范围为1～10毫米。

11.一种聚变装置，其特征在于，包括权利要求1～10中任一项所述的面向等离子体部件。

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