CN1861825A - 一种适应于聚变堆的结构钢材料 - Google Patents
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Abstract
一种适应于聚变堆的结构钢材料，为低活化马氏体钢，基体为Fe元素，其中含有Cr、W、V、Ta、Mn、C等合金元素成分，适合在聚变反应堆环境下使用，抗强中子辐照。该钢配方中采用以W、Ta、V和Mn取代一般钢中的Mo、Nb和Ni等元素，以保证其具有低活化特性。并且通过优化组分，提高了钢的主要性能；同时对中子辐照后可产生长寿命放射性核素的杂质含量进行严格控制。中子辐照后所产生的活化产物中放射性核素半衰期较短，且其放射性水平可在100年内降低至可远程操作剂量水平10mSv/h以下。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于聚变堆的低活化马氏体钢，可抗强中子辐照。
背景技术
聚变能是一种清洁核能，要求其使用的结构材料为低活化材料。目前广泛使用的裂变堆结构材料主要成分含有Fe、Mn、Ni、Mo等元素，其中Ni、Mo等受中子辐照后会产生长寿命放射性核素，而且有些放射性核素的半衰期可长达几万年甚至几十万年以上。这对核电站的核废物处理问题提出了严峻的挑战，不仅处理成本非常高，而且极不安全，不适用于聚变堆。因此，为了尽量降低材料活化可能引起的潜在放射性危害以及减少放射性废物的后处理及其费用，国内外对低活化马氏体钢配方进行了一些研究，目前研究的低活化马氏体钢主要是Fe-Cr-W钢。它是以W、Ta、V和Mn取代一般钢中的Mo、Nb和Ni等元素，以保证其具有低活化特性。国际上普遍认为低活化马氏体钢可以作为聚变堆包层的结构钢材料。作为核聚变堆的结构钢材料要求其具有较好的机械性能、高温蠕变特性和抗辐照脆化特性，现有结构钢材料各有其优缺点，相对于聚变堆第一壁的要求而言仍有许多不足之处。
发明内容
本发明提出了一种适应于聚变堆的结构钢材料，其机械性能、高温特性、抗辐照脆化特性等表现均佳，预计能满足核聚变堆第一壁的使用要求。
本发明的技术方案如下：
一种适应于聚变堆的结构钢材料，其特征在于其中各成分占总质量的百分比为：基体为Fe元素，Cr 9.0±0.5％，W 1.5±0.2％，V 0.20±0.05％，Ta 0.15±0.03％，Mn 0.45±0.05％，C0.10±0.02％。
其中各成分占总质量的百分比为：基体为Fe元素，Cr 9.0％，W 1.5％，V 0.20％，Ta 0.15％，Mn 0.45％，C 0.10％。
其最终热处理制度为：960-1040℃/25-35min淬火；740-780℃/80-100min回火。
本发明从对聚变堆结构材料的低活化和性能要求等方面考虑，对现有的低活化铁素体/马氏体钢的配方成分进行了进一步深入研究与优化，对合金元素中的Cr、W、Ta的含量进行了适当调整。与国际上正在发展的其它低活化铁素体/马氏体钢成分相比较，9％Cr是为了保证足够的强度和韧性、辐照后具有较低的DBTT值以及具有较好的抗腐蚀能力等；1.5％W是为了保证较高的材料强度和较低的DBTT以及减少脆性Laves相的可能析出；0.45％Mn是为了改善材料与液态锂铅的相容性；适量增加Ta的含量是为了形成弥散碳化物，控制晶粒生长，进一步提高材料的高温性能。另外，从低活化角度考虑，对杂质元素，特别是对N、Ni、Mo、Nb、Co、Cu等元素，根据最新计算分析结果提出了更严格的要求。
此结构材料具有抗辐照和高温性能好的特点，适合在聚变堆高中子流强和强辐照环境下使用，能满足作为核聚变堆第一壁结构钢材料的要求。利用本发明的低活化马氏体钢作为核聚变堆的结构钢材料，其经中子辐照后的放射性可在较短时间内降低到可处置水平，从而使聚变能成为真正意义上的清洁能源，而且在核反应堆退役后100年内其放射性水平将会降低至可远程操作剂量率水平10mSv/h以下。同时，它也适合于在裂变堆中使用。
具体实施方式
一种适应于聚变堆的结构钢材料，其中各成分占总质量的百分比为：基体为Fe元素，Cr9.0％，W 1.5％，V 0.20％，Ta 0.15％，Mn 0.45％，C 0.10％。对中子辐照后可产生长寿命放射性核素的杂质成分其严格控制要求为：N＜0.002％、Ni 0.005％、Mo 0.005％、Nb 0.001％、Co 0.005％、Cu 0.005％，对其它杂质元素控制要求为：O 0.01％、P 0.005％、S 0.005％、Al＜0.01％。
其最终热处理制度为：960-1040℃/25-35min淬火；740-780℃/80-100min回火。
该钢属于马氏体钢，具有较高的热导率和较低的热膨胀系数，较好的抗高温蠕变特性以及中子辐照下较低的肿胀率等优越性能。该钢材具有体心正方结构，故在中子辐照下肿胀率比面心立方结构的奥氏体不锈钢要低；W、V与Ta是强碳化物形成元素，与C形成的金属间化合物高温下非常稳定，析出沉淀在晶界上，可以有效阻碍位错运动，所以在高温下蠕变性能较好；另外，热导率比奥氏体不锈钢316ss高50％左右；因为在约＜300℃中子辐照下材料会产生低温脆化，即DBTT(韧-脆转变温度)上升，影响继续使用，而本发明中该钢材料辐照前DBTT低至-100℃左右，预期能够满足聚变堆的使用要求，即在寿命期限内该结构材料DBTT不会影响到电站的运行；而且该钢材其它机械性能优良，适合于550℃以下环境长时间运行，如室温极限拉伸强度超过650MPa，屈服强度超过500MPa，延伸率25％以上；600℃下极限拉伸强度达到330MPa，屈服强度在290MPa以上，延伸率接近30％。这些均能满足聚变堆设计的要求。同时，它也适合于在裂变堆中使用。
Claims (3)
1.一种适应于聚变堆的结构钢材料，其特征在于其中各成分占总质量的百分比为：基体为Fe元素，Cr 9.0±0.5％，W 1.5±0.2％，V 0.20±0.05％，Ta 0.15±0.03％，Mn 0.45±0.05％，C 0.10±0.02％。
2.根据权利要求1所述的结构钢材料，其特征在于其中各成分占总质量的百分比为：基体为Fe元素，Cr 9.0％，W 1.5％，V 0.20％，Ta 0.15％，Mn 0.45％，C 0.10％。
3.根据权利要求1所述的结构钢材料，其特征在于其最终热处理制度为：960-1040℃/25-35min淬火；740-780℃/80-100min回火。
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