聚变第一壁材料的研究进展聚变第一壁材料的研究进展与与 HT-7UHT-7U 第一壁材料研究第一壁材料研究

陈俊凌陈俊凌

20012001 年年 44 月月 1818 日日

面临的任务面临的任务：： （（ 11 ））开发高性能的新型材料；开发高性能的新型材料； （（ 22 ））探索大大提高现有探索大大提高现有材料性能。材料性能。

聚变堆第一壁聚变堆第一壁 // 包层候选材料（趋向于材料系统）：包层候选材料（趋向于材料系统）：

聚变材料研究发展趋势聚变材料研究发展趋势

•结构材料：结构材料： 铁素体铁素体 // 马氏体、铜合金、马氏体、铜合金、 SiC/SiCSiC/SiCff 、钒基合金；、钒基合金；•中子倍增材料：中子倍增材料： 铅、铍铅、铍 ;;

•氚增值材料： 氚增值材料： 锂锂 -- 铅、锂、锂陶瓷、铅、锂、锂陶瓷、 Flibe;Flibe;

•绝缘材料：绝缘材料： AlAl22OO33 、、 MgOMgO 、、 MgAlMgAl22OO44 和和 BeOBeO 、、 BN etcBN etc.;.;

•窗口材料 窗口材料 SiOSiO22 基光纤；石英晶体（远红外）、基光纤；石英晶体（远红外）、 ZnSeZnSe

和光纤材料：和光纤材料：（红外）、（红外）、 Fused silicaFused silica （可见光和近紫外）、 （可见光和近紫外）、 MgFMgF 和蓝宝石（紫外）；和蓝宝石（紫外）；面对等离子体材料： 面对等离子体材料： 高高 ZZ （（ WW 、、 MoMo 、、 V etcV etc.. ）；）； 低低 ZZ （（ CBMCBM 、、 CFCCFC 、、Be etcBe etc ）） .;.;

聚变堆结构材料的发展趋向聚变堆结构材料的发展趋向

材料材料 要点要点•奥氏体不锈钢 首批候选材料奥氏体不锈钢 首批候选材料（现一般聚 （现一般聚 变变装置正在大量使用的装置正在大量使用的 ))

•铁素体铁素体 // 马氏体钢 马氏体钢 （（ HT-9HT-9 ） ） 近期研究和应用可行性大 近期研究和应用可行性大

•钒基合金钒基合金（（ VCrTiVCrTi ）） 中期目标较好 中期目标较好

•SiC/SiCSiC/SiCff 适合作为远期目标 适合作为远期目标

•钛合金 欧共体另钛合金 欧共体另一选择研究一选择研究

•铬 日本另铬 日本另一选择研究一选择研究

CuCrZr CuCrZr DS-Cu(Glidcop Al25DS-Cu(Glidcop Al25)

202000C 400C 40000C 600C 60000C 20C 2000C 400C 40000C 600C 60000CC

屈服强度屈服强度 /MPa 280 170 480 230 140/MPa 280 170 480 230 140

极限强度极限强度 /MPa 400 230 460 250 150/MPa 400 230 460 250 150

总伸长率总伸长率 /% 25 20 25 20 20/% 25 20 25 20 20

热导率热导率 /W.m/W.m-1-1.K.K-1 -1 350 320 360 320 300350 320 360 320 300

可焊接性 可焊接性 好 好 中等中等

可纤焊性可纤焊性 (brazability) (brazability) 中等（热处理〕 好（无银）中等（热处理〕 好（无银）

斜脊连接斜脊连接（（ hipping) hipping) 中等（热处理） 好中等（热处理） 好 DSCuDSCu 主要优点是高温下仍有很好的机械性能；主要优点是高温下仍有很好的机械性能； CuCrZrCuCrZr 的主要的主要优点是在焊接方面积累了丰富的经验，热处理后能恢复其初始性能。优点是在焊接方面积累了丰富的经验，热处理后能恢复其初始性能。

铜合金热沉材料的发展情况铜合金热沉材料的发展情况

限制器、限制器、抽气限制器、各态历经偏滤器抽气限制器、各态历经偏滤器 (( 磁限制器磁限制器 ););偏滤器偏滤器、、抽气偏滤器；抽气偏滤器；

不锈钢、不锈钢、 WW 、、 MoMo 、、 GraphiteGraphite 、、 BeBe 、、 CFCCFC 、、 CFC+CFC+ 高高 ZZ（（ WW ，， MoMo ，， VV ，为反应堆做准备）；，为反应堆做准备）；

目前的研究认为目前的研究认为：：高高 ZZ 材料往将来聚变堆方向发展可能更有前途。材料往将来聚变堆方向发展可能更有前途。

面对等离子体材料面对等离子体材料

偏滤器位形聚变装置中偏滤器位形聚变装置中 PMIPMI 过程示意图过程示意图

PMIPMI 过程一方面会造成过程一方面会造成 PFMPFM 的损伤；的损伤；另一方面会给等离子体引入杂质，此外另一方面会给等离子体引入杂质，此外还将对燃料粒子的再循环产生影响。还将对燃料粒子的再循环产生影响。

损伤机制：损伤机制：•溅射；溅射；

蒸发；蒸发；•解吸；解吸；•起弧；起弧；•背散射；背散射；•反扩散；反扩散；•表面起泡；表面起泡；•氢在晶界处析出等；氢在晶界处析出等；•中子辐照引起的体损伤等中子辐照引起的体损伤等

等离子体和壁相互作用问题等离子体和壁相互作用问题

1)1) High energy contentHigh energy content ( (several hundreds MJ vs. few MJ in current deviceseveral hundreds MJ vs. few MJ in current device) and ) and power flowpower flow• More intense disruptions and disruption-related damage effects;More intense disruptions and disruption-related damage effects;

• Require an effective reliable way to disperse the power to the divertor surfaces.Require an effective reliable way to disperse the power to the divertor surfaces.

2)2) Long pulse duration Long pulse duration ((few hundreds s vs. fews in current devices)few hundreds s vs. fews in current devices)• require require active cooling of PFCsactive cooling of PFCs and vessel structure and vessel structure and techniqueand technique to pumping He ash ; to pumping He ash ;

• Require Require effective control of plasma purity and PMIs effective control of plasma purity and PMIs to achieve high plasma performance.to achieve high plasma performance.

3)3) High duty factor (3%High duty factor (3% ～～ 10%) or pulse repetition rate10%) or pulse repetition rate• Short time for wall conditioning and tritium Short time for wall conditioning and tritium recovery from co-deposited films; recovery from co-deposited films;

• Remote maintenance with acceptable shot-down times.Remote maintenance with acceptable shot-down times.

4)4) Long cumulative run time Long cumulative run time • The erosion lifetime (needs to be replaced several times);The erosion lifetime (needs to be replaced several times);

• Tritium retention and dust (safety problems);Tritium retention and dust (safety problems);

• Neutron damages effects in the bulk surrounding materials and structures;Neutron damages effects in the bulk surrounding materials and structures;

• PFM surfaces will be modified by mixing effects;PFM surfaces will be modified by mixing effects;

5)5) Routine operation with large amount of tritium; Routine operation with large amount of tritium;

6)6) Superconducting magnet technology; Superconducting magnet technology;

7)7) Fast remote maintenance for repair/ refurbishment of the in-vessel components and some Fast remote maintenance for repair/ refurbishment of the in-vessel components and some of ex-vessel components;of ex-vessel components;

8) Safety:8) Safety:

未来聚变装置的主要特征和相关的未来聚变装置的主要特征和相关的 PMIPMI 问题问题

Component/armour materials/area/ main design loads

Peak heat flux Particle flux Energy Fast neutronPeak heat flux Particle flux Energy Fast neutron (MW/m(MW/m-2-2) (DT. m) (DT. m-2-2.s.s-1-1) (eV) (n. m) (eV) (n. m-2-2.s.s-1-1))

Fast-wall/BeFast-wall/Be-1000 ｛ 680 ｝ (m2) 0.5 1019-1020 100-500 ≤2.3×1018

— charge-exchange neutrals (E<100eV) ； ｛≤ 1.3 ×1018 ｝— Radiative power from bremsstralung ；— localised thermal, particle and electronmagnetic loads during disruption,VDE, runaway electrons.

Start-up limiter/BeStart-up limiter/Be ～～ 10 (m2) — direct plasma interaction and high thermal ～ 8 1021-1022 100-500 ≤2.3×1018

during start-up and shut-down ｛≤ 1.3 ×1018 ｝ Divertor target Divertor target ((strike-points)) C C ～～ 75 ｛ 55 ｝ (m2) — high thermal power and flux of particles; <10-20 < 1024 1-30 4-6×1017

— deposition of energy during disruption,ELMs; (plasma temp. ) ｛ 2-3 ×1017

｝ — electronmagnetic loads during disruptions.Divertor baffle/WDivertor baffle/W ～～ 200 ｛ 50 ｝ (m2) 3 1021-1022 >30 ≤2×1018

— charge-exchange neutrals (E<100eV) ； (plasma temp.) ｛ 1 ×1018 ｝— direct interaction with SOL plasma;— radiation power from X-point (e.g., MARFEs);— possible deposition of energy during ELMs;— radiated energy during VDE;— electronmagnetic loads during disruption;

Divertor Dome /WDivertor Dome /W ～～ 85 ｛ 30 ｝ (m2) 3 1021-1022 >30 ≤1.1×1018

— charge-exchange neutrals (E<100eV) ； (plasma temp.) ｛ 9 ×1017 ｝— radiation power from X-point (e.g., MARFEs);— radiated energy during VDE;— electronmagnetic loads during disruption;

ITERITER 的主要运行参数和第一壁材料选取的主要运行参数和第一壁材料选取

聚变装置用炭基材料研究进展聚变装置用炭基材料研究进展 1970’s1970’s 后期，后期， PLTPLT 装置第一次使用石墨限制器装置第一次使用石墨限制器

起因：起因： PLTPLT 采用采用 NBINBI 辅助加热系统；辅助加热系统； 限制器：起初用限制器：起初用 WW 为限制器，但在高功率和低的等离子体密度情形下，获得了很高的边缘等离为限制器，但在高功率和低的等离子体密度情形下，获得了很高的边缘等离

子体温度和功率密度，引发子体温度和功率密度，引发 WW 的溅射，辐射损失大；的溅射，辐射损失大； 改进：用石墨限制器替代了改进：用石墨限制器替代了 WW 限制器，结果获得了巨大成功。主要原因在于石墨材料属于低限制器，结果获得了巨大成功。主要原因在于石墨材料属于低 ZZ

材料，辐射损失小；表面过热时只会升华，而不熔化。材料，辐射损失小；表面过热时只会升华，而不熔化。 从此，炭材料成为核聚变装置中限制器和偏滤器设计时优先考虑的材料从此，炭材料成为核聚变装置中限制器和偏滤器设计时优先考虑的材料 到到 8080 年代中期许多托卡马克装置在运行时都采用石墨限制器或偏滤器板年代中期许多托卡马克装置在运行时都采用石墨限制器或偏滤器板 与此同时，实验室中针对石墨材料的测试和模拟开始广泛进行，旨在阐明石墨与氢等离与此同时，实验室中针对石墨材料的测试和模拟开始广泛进行，旨在阐明石墨与氢等离

子体的化学反应子体的化学反应 炭的化学腐蚀和炭的化学腐蚀和 RESRES 行为；行为； 中子辐照下炭材料的一些性能和结构变化；中子辐照下炭材料的一些性能和结构变化； 炭与氢的同位素的共沉积行为；炭与氢的同位素的共沉积行为；

目前炭材料仍然是世界范围内大型托卡马克的主要面对等离子体材料目前炭材料仍然是世界范围内大型托卡马克的主要面对等离子体材料 除了作为限制器和偏滤器，炭材料还在扩大其使用范围，如覆盖整个真空壁除了作为限制器和偏滤器，炭材料还在扩大其使用范围，如覆盖整个真空壁 象象 TFTRTFTR ，， DIII-DDIII-D ，， JT-60UJT-60U ，， Tore SupraTore Supra ，， ASDEX-UASDEX-U （现在在发展高（现在在发展高 ZZ 的的 WW ）等采用全炭壁。）等采用全炭壁。

低化学溅射，抗低化学溅射，抗 RESRES ，高热通量炭基复合材料成为目前的研究重点，高热通量炭基复合材料成为目前的研究重点 炭材料内部改性（添加炭材料内部改性（添加 BB ，， SiSi ，， TiTi ，， VV ，， ZrZr ，， NiNi ，， WW 或其炭化物等）；或其炭化物等）； 表面涂层（表面涂层（ BB44CC ，， SiCSiC ，， TiCTiC ，， WW 等）；等）； 高导热率石墨和高导热率石墨和 CFCCFC 复合材料；复合材料； 石墨（石墨（ CFCCFC 材料）和铜热沉的连接技术及其性能评价。材料）和铜热沉的连接技术及其性能评价。

掺杂石墨在国外装置上的应用掺杂石墨在国外装置上的应用 硼化石墨已经在硼化石墨已经在 TEXTORTEXTOR 和和 DIIIDDIIID ，， W7-X W7-X 等装置上获得成功应用。等装置上获得成功应用。

问题：问题：低的热导率是硼化石墨的主要缺点。低的热导率是硼化石墨的主要缺点。 俄罗斯牌号为俄罗斯牌号为 RG-TiRG-Ti 的掺杂石墨在的掺杂石墨在 TEXTORTEXTOR上用作限制器；上用作限制器；

取得了一些结果，但是主要问题是取得了一些结果，但是主要问题是 RG-TiRG-Ti 材料内存在的杂质影响仍然比较明 材料内存在的杂质影响仍然比较明 显；另外就是在热负荷达显；另外就是在热负荷达 30MW/m30MW/m22 的情况下，材料表面温度高达的情况下，材料表面温度高达 2400℃2400℃，从，从 而引发炭的大量升华。而引发炭的大量升华。

1994/19951994/1995 年的一轮实验，将两块年的一轮实验，将两块 TiTi 掺杂石墨掺杂石墨 RG-Ti-91RG-Ti-91 瓦片替代了石墨瓦片瓦片替代了石墨瓦片安装在安装在 ASDEX-UASDEX-U 的偏滤器上，进行了实验。的偏滤器上，进行了实验。 结果：结果：放电次数达放电次数达 670670 次，脉冲长度为次，脉冲长度为 2s2s 。实验中观察到。实验中观察到 RG-Ti-91RG-Ti-91 瓦片的瓦片的安 安

装对放电性能没有影响，也就是说，在等离子体中没有检测到其它装对放电性能没有影响，也就是说，在等离子体中没有检测到其它 杂质如杂质如 TiTi 的存在。这两片瓦表面温升与其它的细晶粒石墨相比降低的存在。这两片瓦表面温升与其它的细晶粒石墨相比降低 了了 22 倍。实验后对样品的表面检测发现，一些炭被腐蚀，倍。实验后对样品的表面检测发现，一些炭被腐蚀， TiCTiC 晶体颗 晶体颗 粒暴露在表面，这与实验室用离子束轰击后的结果是一致的。粒暴露在表面，这与实验室用离子束轰击后的结果是一致的。发展趋势：发展趋势：进一步提高掺杂石墨的进一步提高掺杂石墨的热导值热导值，，抗溅射性能和中子辐照抗溅射性能和中子辐照，，今后今后高高 Z Z （添加 （添加 SiCSiC ，， TiCTiC ， ， ZrCZrC ，， WCWC ，， VV88CC77 等）等等）等掺杂有可能成为发展方掺杂有可能成为发展方向；向；

高导热高导热 CFCCFC 复合材料的研究复合材料的研究 CFCCFC 材料目前在装置上主要用作限制器和偏滤器板瓦材料目前在装置上主要用作限制器和偏滤器板瓦1. 纤维的导热高（主要原因）2. 基体炭的导热（中间相沥青， CVI 热解炭）

高导热炭纤维高导热炭纤维VGCF （气相生长炭纤维），据报道单丝热导值可达 1960W/mK高模量中间相沥青炭纤维

高导热高导热 CFCCFC复合材料复合材料

VGCF （气相生长炭纤维）是炭纤维中热导率最高的，由此而制成的 CFC （纤维体积含量从 28%~70% ，基体炭是热解炭 CVI 制备）。制得的 CFC 热导率可达 842W/m.K （密度 1.69g/cc ）， 910W/m.K(1.88g/cc) 。这两种 CFC 的纤维体积含量为 57% 和 70% 。

沥青炭纤维： P-130 纤维，约 60% 体积含量，密度 2.1g/cc, 纤维热导可达 1100W/mk ， CFC 的热导率达 851W/m.K ，这种高模量炭纤维的成本大约为 $3000/kg.

发展趋向：发展趋向：高热导并趋于多维掺杂高热导并趋于多维掺杂 CFCCFC （（ SiC)SiC)

CFC/Cu-alloy jioning Technologies:

Cu-alloy/Stainless Steel jioning Technologies:

Heat sink forms:Heat sink forms:

flat, saddle, monoblock...flat, saddle, monoblock...

Jioning methods:Jioning methods:AMCAMCTMTM, Brazing, e-beam welding, Brazing, e-beam welding ... ...

HIP, friction welding, explosion bonding, diffusion bonding …HIP, friction welding, explosion bonding, diffusion bonding …

The performance of Cu/SS jiontsThe performance of Cu/SS jionts is limited by is limited by the properties of Cu the properties of Cu alloysalloys, cracks, induced by mechanical or thermal fatigue propagate , cracks, induced by mechanical or thermal fatigue propagate in the Cu part and not in the SS.in the Cu part and not in the SS.

碳基材料存在的问题及研究方向碳基材料存在的问题及研究方向致命弱点：致命弱点：

研究方向：研究方向： 第一重要的就是再沉积碳层中的氚的去除（氘清洗、氧清洗再沉积碳层中的氚的去除（氘清洗、氧清洗

和和 加热加热 700K700K 以上，或在以上，或在 -270K-270K 以下的低温）如果不能解决这个以下的低温）如果不能解决这个问问 题，题， CBMCBM将被排除出将被排除出 PFMPFM候选材料的行列；候选材料的行列；

进一步提高其抗进一步提高其抗 CSCS 性能和热导值；性能和热导值；

中子辐照条件下的热物理和力学性能稳定性研究；中子辐照条件下的热物理和力学性能稳定性研究；

其它。其它。

化学溅射化学溅射（甚至低能氢、氧离子轰击（甚至低能氢、氧离子轰击 <5eV<5eV ））使使 PFCPFC 的的使用寿使用寿命命

降低降低和等离子体和等离子体芯部的杂质水平升高；芯部的杂质水平升高；

中子辐照引起中子辐照引起 CBMCBM 的热物理和力学性能的快速衰变（特别是热的热物理和力学性能的快速衰变（特别是热

导值较大幅度的降低）；导值较大幅度的降低）；

再沉积碳层中高氚滞留量再沉积碳层中高氚滞留量所导致的装置的经济性与安全运行问所导致的装置的经济性与安全运行问题。题。

随着对聚变研究的深入，轰击到随着对聚变研究的深入，轰击到 PFCPFC 上的能流和粒子能量等边缘等离上的能流和粒子能量等边缘等离子体参数可以得到较好的控制。在这种情况下，高子体参数可以得到较好的控制。在这种情况下，高 ZZ 的钨以其高熔点、高的钨以其高熔点、高物理溅射阈能和无化学溅射等优良性能而被重新确认为最有希望的候选物理溅射阈能和无化学溅射等优良性能而被重新确认为最有希望的候选 PPFMFM 。。

从九十年代开始，从九十年代开始， Alcator C-ModAlcator C-Mod ，， FTUFTU ，， ASDEX-UASDEX-U ，，和和 TEXTORTEXTOR等装置都开展了使用高等装置都开展了使用高 ZZ 材料作为材料作为 PFMPFM 的实验研究。在的实验研究。在 TEXTORTEXTOR 限制器限制器实验中发现：除高密度欧姆加热和喷氖而导致边缘冷却时出现过钨在等离实验中发现：除高密度欧姆加热和喷氖而导致边缘冷却时出现过钨在等离子体中心的聚积外，子体中心的聚积外， NBINBI 和和 ICRFICRF 等辅助加热手段均可有效地抑制钨在等等辅助加热手段均可有效地抑制钨在等离子体中的输运，这一结果显示离子体中的输运，这一结果显示高高 ZZ 材料在等离子体中心的聚积可能不是材料在等离子体中心的聚积可能不是与高与高 ZZ 材料的释放量有关，而是与其在等离子体中的输运有关；材料的释放量有关，而是与其在等离子体中的输运有关；

在在 ASDEX-UASDEX-U 上使用钨作为偏滤器靶板材料，大多数次实验显示钨在主上使用钨作为偏滤器靶板材料，大多数次实验显示钨在主等离子体中的浓度保持在等离子体中的浓度保持在 2×102×10-5-5Part/mPart/m33 以下，此值低于聚变堆点火所能容以下，此值低于聚变堆点火所能容忍的杂质水平。然而由于这些装置都是局部使用钨作为忍的杂质水平。然而由于这些装置都是局部使用钨作为 PFMPFM ，，其它部位其它部位仍为仍为 CBMCBM ，结果在实验中发现等离子体中的主要杂质仍然是由于，结果在实验中发现等离子体中的主要杂质仍然是由于 PSIPSI 而而释放的碳杂质，钨瓦很快被再沉积的碳所覆盖而失去其作为释放的碳杂质，钨瓦很快被再沉积的碳所覆盖而失去其作为 PFMPFM 的好处。的好处。

高高 ZZ 的钨成为的钨成为 PFMPFM 研究的新亮点研究的新亮点

钨作为钨作为 PFMPFM 的主要优点的主要优点 Higher threshold energy of sputtering and low sputtering yield;

‘Promote deposition’ of high Z atoms;

Quite favorable thermal mechanical properties (even >100W/m.K at 15000C);

Relatively high strength, highest melting point and low vapor pressure;

Higher reflection coefficient for heat deposition;

高高 ZZ 的的 WW 的制备和改性研究的制备和改性研究Shortcomings:Shortcomings: poor ductile (DBTT 150poor ductile (DBTT 15000 ～～ 40040000C), heavy mass, re-crystallization C), heavy mass, re-crystallization (1150(115000C) ( properties dependent on C) ( properties dependent on metallurgical treatment-method metallurgical treatment-method of production, machining condition, grain size, temperature of history of production, machining condition, grain size, temperature of history and impurities.)and impurities.)

To avoid the re-crystallization (single crystal or make alloys)To avoid the re-crystallization (single crystal or make alloys)

Bulk tungstenBulk tungsten Pure-WPure-W ( sintering technique ,electron beam or arc);( sintering technique ,electron beam or arc);

PWPW (W-5Re; W-1%La(W-5Re; W-1%La22OO33, W-Cu, W-Cu, W-Cu-Ni, , W-Cu, W-Cu, W-Cu-Ni,

W-Fe-Ni etc.).W-Fe-Ni etc.).

W-coating methodsW-coating methods

CVDCVD

PVDPVD

VPSVPS

IPSIPS

CBMCBM 表面上的表面上的 WW 涂层成为研究热点涂层成为研究热点

ASDEX-UASDEX-U 用用 WW 涂层（几十～涂层（几十～ 550μm550μm ））石墨（石墨（ 1m1m225m5m22 ）作为覆盖内壁发现中）作为覆盖内壁发现中心等离子体钨杂质含量并没有明显增加心等离子体钨杂质含量并没有明显增加 ;;

石墨（石墨（ CFCCFC ）表面）表面 WW 涂层作为偏滤器涂层作为偏滤器材料具有以下优点：材料具有以下优点：

偏滤器的运行环境：热负荷约为偏滤器的运行环境：热负荷约为 10~3010~30MW/mMW/m22 ；粒子负荷约为高于；粒子负荷约为高于 10101919/cm/cm22ss ；；低的等离子体温度小于低的等离子体温度小于 50eV;50eV;

可充分利用石墨或可充分利用石墨或 CFCCFC 材料的高热导及材料的高热导及WW 材料的高的溅射域值材料的高的溅射域值 ;;

偏滤器磁场位形设计还可防止溅射出的偏滤器磁场位形设计还可防止溅射出的WW 杂质返回到芯部等离子体杂质返回到芯部等离子体 ;;

对于对于 CFCCFC 和和 W,W, 在高热负荷（在高热负荷（ 1800MW/1800MW/mm22 ，， 1.5~2ms1.5~2ms ）等离子体破裂热冲击下）等离子体破裂热冲击下的失重行为：的失重行为：

失重和腐蚀坑及融化的面积随着材料的失重和腐蚀坑及融化的面积随着材料的温度升高变大；温度升高变大；

CFCCFC 表面的火花：高温下要小于低温下，表面的火花：高温下要小于低温下，与失重不一致；与失重不一致；

CFC 的失重随它的热导值增加而 减小；相同热负荷下， W 的失重要小于 CFC 。 原因是两个方面： 1 ， W 由于可以反射一部分能量，所以 它吸收的能量要小于 CFC （ 70%） ； 2 ， W 的蒸发和融化也吸收 了部分能量。

W/Cu-alloy jioning Technologies:

CastingCasting

e-beam weldinge-beam welding

CVDCVD

PSPS

HIPHIP

DB (diffusion bonding)DB (diffusion bonding)

The main difficulties The main difficulties is the large differences in is the large differences in CTE CTE

andand elastic modulus elastic modulus

HT-7UHT-7U 装置的材料问题装置的材料问题 第一壁材料：第一壁材料：近期近期：：一般负荷区：一般负荷区：采用陶瓷组元掺杂石墨采用陶瓷组元掺杂石墨 (( 常压常压 )) ＋＋ SiC SiC

coatings, coatings, 备选：备选：“三高”石墨“三高”石墨＋＋ SiC SiC

coatingscoatings ; ; 较高负荷区：较高负荷区：采用热压掺杂石墨或短纤维采用热压掺杂石墨或短纤维掺杂石墨掺杂石墨 ＋＋ SiC coatings;SiC coatings; 高负荷区：高负荷区：继续发展热压石墨（能否使用？继续发展热压石墨（能否使用？ )) 同时发展掺杂同时发展掺杂 CFC (CFC ( 方向：方向： 2D2D－－ CFCCFC掺 掺 杂杂 SiCSiC ））中远期：中远期：发展高热导的掺杂发展高热导的掺杂 CFCCFC ，并趋于向多维方向发展；，并趋于向多维方向发展； 研究研究 GraphiteGraphite++W coatingsW coatings 及及 WW 、、 MoMo 体材料及其体材料及其涂涂 层材料，发展原位钨化涂层技术等。层材料，发展原位钨化涂层技术等。

The fabrication methods for carbon/ceramic compositesThe fabrication methods for carbon/ceramic composites

• 第一次真正制得形状复杂的掺杂大块碳瓦，且在其上实现了均匀的第一次真正制得形状复杂的掺杂大块碳瓦，且在其上实现了均匀的 SiCSiC厚膜厚膜梯梯 度涂层度涂层 (( 百百 mm 以上以上 )) ；；• 实现了涂层前的碳瓦清洁处理，经多道彻底清洗后可以做到碳瓦手摸上去不实现了涂层前的碳瓦清洁处理，经多道彻底清洗后可以做到碳瓦手摸上去不黑黑 手，在这方面具有与国外同样的水准；手，在这方面具有与国外同样的水准；• 涂层后的碳瓦在我所烘烤到涂层后的碳瓦在我所烘烤到 30030000CC 和和 35035000CC 后经质谱分析，其出气率指标较后经质谱分析，其出气率指标较低，低， 其真空性能能够满足要求，具有与国外各相同性细晶石墨同样的水准；其真空性能能够满足要求，具有与国外各相同性细晶石墨同样的水准；• 可实现批量，这次是近七公斤，其工艺适于今后批量生产。可实现批量，这次是近七公斤，其工艺适于今后批量生产。• 配方是在参考国内外最新研究成果的基础上，经多次台面实验优选而出的；配方是在参考国内外最新研究成果的基础上，经多次台面实验优选而出的；• 抗溅射性能优于纯石墨材料抗溅射性能优于纯石墨材料 (( 如日本如日本 IGIG －－ 430U430U)) ； 热导率可达； 热导率可达 150W/m.K 150W/m.K (( 室温室温 下）以上；下）以上；• 力学性能在一维方向接近俄罗斯产的力学性能在一维方向接近俄罗斯产的 MPG-8MPG-8 ，在另一个方向稍差；，在另一个方向稍差；• 有很好的抗热冲击性能，在约有很好的抗热冲击性能，在约 3MW/m3MW/m22 电子束热冲击情况下 电子束热冲击情况下 ((30s30s ），没有），没有出现出现 开裂现象；在模拟等离子体破裂情况下，失重情况可与国外碳石墨材料相比；开裂现象；在模拟等离子体破裂情况下，失重情况可与国外碳石墨材料相比；• 真空性能有显著改善，与国外先进水平可比。真空性能有显著改善，与国外先进水平可比。

热压石墨及热压石墨及 SiCSiC 厚膜梯度涂层方面进展厚膜梯度涂层方面进展

HT-7HT-7

• Main limiter was designed as Main limiter was designed as a whole circular ring in the pa whole circular ring in the poloidal direction;oloidal direction;

• A minor radius is 27cm, whicA minor radius is 27cm, which is smaller than previous Mo h is smaller than previous Mo limiter 28.5cm. The LCFS walimiter 28.5cm. The LCFS was defined by main limiter, whis defined by main limiter, which widen the SOL and providch widen the SOL and provide the good protection for staine the good protection for stainless steel liner from energetic less steel liner from energetic ions bombardment;ions bombardment;

• The total surface area ia abouThe total surface area ia about 0.3 cmt 0.3 cm22, when , when medium heatimedium heating power was applied in ng power was applied in HHT-7 (400kWT-7 (400kW ，， LHCDLHCD ；； 200200kWkW ，， RF; 400kW OH),RF; 400kW OH), Heat Heat load flux is aboutload flux is about 2MW/m 2MW/m22 . .

热压掺杂碳陶复合材料（高负荷热压掺杂碳陶复合材料（高负荷区）区）•继续从事热压工艺稳定性研究工作（约半年）；继续从事热压工艺稳定性研究工作（约半年）；•探索新配方，继续走提高现有性能这条路；探索新配方，继续走提高现有性能这条路； 20002000 年冬季年冬季 HT-7HT-7 限制器用碳限制器用碳 // 陶复合材料的配方为：陶复合材料的配方为： 7-7.5%Ti7-7.5%Ti ，， 0.1-0.5%B0.1-0.5%B ，， 1-2%Si1-2%Si ，，该种配方所得的综合性能优越。该种配方所得的综合性能优越。

还有两种配方可制备高热导碳还有两种配方可制备高热导碳 // 陶复合材料：陶复合材料： 7-7.5%Ti7-7.5%Ti ，， 0.1-0.2B%;0.1-0.2B%;

2.5%2.5%左右的单组元掺左右的单组元掺 Ti Ti ；；

•基体材料：基体材料：石墨粉＋生石油焦粉、煅烧焦粉、针状焦、或中间石墨粉＋生石油焦粉、煅烧焦粉、针状焦、或中间 相沥青碳微球。相沥青碳微球。

热沉材料及其它热沉材料及其它热沉材料热沉材料 :: （既要考虑材料本身的性能（既要考虑材料本身的性能 ::如力学性能、热导值及延如力学性能、热导值及延 脆性等，又要考虑可加工性能：如可加工性和焊接性脆性等，又要考虑可加工性能：如可加工性和焊接性 能等能等 ))；；

•不锈钢：不锈钢：其热导值一般在其热导值一般在 1010～～ 20W/m.K20W/m.K （好点在（好点在 3030～～ 40W/m.K40W/m.K ）） ;;

•铜合金：铜合金：其热导值最高可达其热导值最高可达 300300多多 W/m.KW/m.K （铍青铜、（铍青铜、 CuCrZrCuCrZr 合金、合金、 DS-copper alloysDS-copper alloys 、、 OFHCOFHC 等）等）。。

HT-7UHT-7U 装置的热沉材料装置的热沉材料：： 一般负荷区选用不锈钢或一般负荷区选用不锈钢或 CuCrZrCuCrZr合金；合金； 高负荷区需选用高负荷区需选用 CuCrZrCuCrZr合金；合金；机械连接界面材料：机械连接界面材料：柔性石墨、金属Mo片、 OFHC垫片等等。。

常压工艺稳定性探索和最后定常压工艺稳定性探索和最后定型型 主要为主要为 HT-7UHT-7U 一般负荷区准备，热压虽可完全满足一般负荷区准备，热压虽可完全满足一般负荷区的的需要，但综合成本较高。一般负荷区的的需要，但综合成本较高。

•配方优化同热压工艺：配方优化同热压工艺：其工艺周期较长，一般需其工艺周期较长，一般需 两个月两个月以上；以上；

•关键是要解决工艺稳定性问题：关键是要解决工艺稳定性问题：

这部分工作有煤化所承担，这部分工作有煤化所承担， ASIPPASIPP 的工作是要的工作是要积极配合并给予评价，即时反馈结果，建立关键问题即时积极配合并给予评价，即时反馈结果，建立关键问题即时协商解决机制。重点解决其协商解决机制。重点解决其开裂开裂和提高其和提高其抗热冲击性能抗热冲击性能问题。问题。

第一壁第一壁 SiCSiC 涂层问题涂层问题•化学反应转化法制备化学反应转化法制备 SiCSiC厚膜梯度涂层厚膜梯度涂层 ::

Si ( liquid ) + C ( solid ) → SiC ( solid ) Si ( liquid ) + C ( solid ) → SiC ( solid )

反应温度应在反应温度应在 1410141000CC 以上进行。以上进行。

•CVRCVR法制备法制备 SiCSiC厚膜梯度涂层厚膜梯度涂层 :: Si ( gas ) + C ( solid ) → SiC ( solid ) Si ( gas ) + C ( solid ) → SiC ( solid )

反应温度应在反应温度应在 15001500～～ 1600160000CC

•CVICVI法制备法制备 SiCSiC厚膜梯度涂层厚膜梯度涂层 :: 2C ( solid) + SiO (gas)→SiC (solid) + CO ( gas )↑2C ( solid) + SiO (gas)→SiC (solid) + CO ( gas )↑ SiOSiO的汽化温度为的汽化温度为 1300130000CC。 。

图图 3.3. 碳基体上的 SiC涂层系统示意

碳基体碳基体 SiCSiC 涂层断面涂层断面 SiSi 成份分布成份分布 XX 射线成像和概念模型射线成像和概念模型

HT-7UHT-7U 装置第一壁涂层系统设计装置第一壁涂层系统设计

在几种在几种 SiCSiC 涂层中，涂层中， CVRCVR 法实现法实现 SiCSiC 涂层的梯度和致密性要涂层的梯度和致密性要明显好于液态明显好于液态 SiSi 反应转化所得到的涂层，但低于反应转化所得到的涂层，但低于 CVICVI 法；同时法；同时 CVCVDD 实现的实现的 SiCSiC 涂层最为致密涂层最为致密 ,,但其梯度性较差。但其梯度性较差。•一般负荷区：一般负荷区： 采用采用 CVRCVR 法实现的法实现的 SiCSiC 涂层，该种涂层厚度可达百涂层，该种涂层厚度可达百 μmμm 量级，量级，其特点主要是易于实现，涂层的质量因晶粒粗大等，质量稍差，但其特点主要是易于实现，涂层的质量因晶粒粗大等，质量稍差，但适合大面积。适合大面积。•高负荷区高负荷区 :: 可采用可采用 CVICVI 方法实现的方法实现的 BB44CC 厚膜梯度涂层和通过厚膜梯度涂层和通过 CVICVI 和和 CVDCVD

两种方法实现的复合涂层两种方法实现的复合涂层 SiC-SiC/CSiC-SiC/C ，如稍降低要求，则，如稍降低要求，则 CVICVI 法实法实现的现的 SiCSiC厚膜梯度涂层也可满足要求。 厚膜梯度涂层也可满足要求。

建立建立 HT-7HT-7 装置中材料实验站问题装置中材料实验站问题

HT-7HT-7正在积极向国际化大装置迈进的过程中，李建刚老师已正在积极向国际化大装置迈进的过程中，李建刚老师已在积极筹划其进一步的改造工作，为抓住这一难得的机会，在在积极筹划其进一步的改造工作，为抓住这一难得的机会，在 HT-7HT-7

装置的进一步改进中，考虑装置的进一步改进中，考虑材料实验站材料实验站的问题。的问题。

Test limiterTest limiter 加上必要的诊断就是一个很好的材料试验站，加上必要的诊断就是一个很好的材料试验站，不仅不仅 TT

EXTOREXTOR 装置这么做，象装置这么做，象 DIIIDIII －－ DD 偏滤器诊断上就有这样的材料试偏滤器诊断上就有这样的材料试验送样和分析机构。改造中想将验送样和分析机构。改造中想将 Test limiterTest limiter 考虑在进一步改造计划考虑在进一步改造计划中，以前的送样结构中缺少对材料的诊断，中，以前的送样结构中缺少对材料的诊断，如温度、光谱、摄像机如温度、光谱、摄像机初步成像和初步成像和 HaHa 等诊断措施，等诊断措施，只能靠取出后的肉眼观察和其它分析，只能靠取出后的肉眼观察和其它分析，缺少对其在等离子体中的环境行为评价。缺少对其在等离子体中的环境行为评价。

The ability to study the science of plasma interaction with materials iThe ability to study the science of plasma interaction with materials is provided by the DIII-D divertor material evaluation system (DiMES)s provided by the DIII-D divertor material evaluation system (DiMES)

Schematic view of the test limiter in TEXTOR’94 deviceSchematic view of the test limiter in TEXTOR’94 device

测试平台在材料评价方面的主要工作测试平台在材料评价方面的主要工作•对于热压掺杂石墨：对于热压掺杂石墨： 对其能否应用在高对其能否应用在高负荷区提供评价；负荷区提供评价；•对于常压掺杂石墨：对于常压掺杂石墨： 主要侧重于抗热冲主要侧重于抗热冲击、真空性能及高温下的放气击、真空性能及高温下的放气行为等提供综合性评价行为等提供综合性评价；；•对于涂层系统：对于涂层系统： 在为在为 HT-7UHT-7U 第一壁高通量第一壁高通量部件上发展的部件上发展的 SiCSiC （（ BB44CC ））厚膜保护涂层能否与基体紧密厚膜保护涂层能否与基体紧密接触、能否经受得住强热冲击、接触、能否经受得住强热冲击、其寿命如何其寿命如何？为此开展的实验？为此开展的实验室评价也是必不可少的。室评价也是必不可少的。•对于进一步的对于进一步的 PFMPFM 研究研究