关键词：
面向等离子体构件
W/CuCrZr
热力耦合分析
钨基材料
制备
活化烧结
微观结构
机械性能
摘要：
作为聚变反应堆的重要组成部分,面向等离子体构件(plasma facing components, PFCs)的工作环境非常恶劣,通常会受到高热负荷、高能逃逸电子的轰击、高能中子的辐照以及其它粒子的溅射作用,这就要求PFCs具有较高的可靠性。因此,为了保证核聚变堆的安全运行,对PFCs的材料选择必不可少。PFCs包括面向等离子体材料和热沉材料两部分。由于钨具有无化学溅射、高物理溅射阈值、长寿命、高熔点、高热导等一系列特性,使其成为非常具有竞争力的面向高温等离子体材料。而铜合金则由于具有高热导而被视为潜在的热沉材料。然而,关键的问题是钨与铜合金的热膨胀系数和弹性性能差异较大。这些差异导致在钨与铜合金的连接过程以及核聚变装置的运行过程中,在PFCs内部产生较大的热应力,严重影响了PFCs的安全可靠性和使用寿命。此外,钨也存在着烧结困难、室温脆性、塑-脆转变温度(ductile-to-brittle transition temperature, DBTT)高等问题。因此,对PFCs进行结构优化用以减小热应力和高性能钨基材料的研发具有重要的实际意义和应用前景。
考虑到上述问题,本论文采用有限元法对W/CuCrZr面向等离子体构件进行热力耦合分析。为了缓解连接过程中和聚变堆运行期间产生的热应力,在钨与CuCrZr之间加入了不同厚度的柔性高热导无氧铜(oxygen free high conductivity copper, OFHC-Cu)界面层。通过对不同界面层厚度构件模拟结果的分析,确定了合适的界面层厚度范围,实现了PFCs结构的优化。数值分析也表明,PFC构件的结构完整性对面向等离子体钨基材料具有较高的性能要求。为此,本文也研究了高性能钨基材料的制备技术,并对关键性能做了测试分析。主要研究内容和结论概括如下：
首先建立了具有不同界面层厚度的三维W/CuCrZr构件有限元分析模型,对连接过程中产生的热应力和塑性应变进行分析。研究工作发现,较溥的界面层能够有效的释放热应力,但却导致构件对热疲劳非常敏感。较厚的界面层则不能有效的释放热应力。因此,本文通过对不同界面层厚度构件计算结果的对比分析,实现了界面层厚度的优化,降低了PFCs在连接过程中产生的热应力。
其次,在聚变堆的运行过程中,PFCs将暴露于一定的稳态热负荷之下,导致暴露面的温度升高,在PFCs中产生温度的梯度分布。PFCs中温度的梯度分布促使构件中产生热应力,进而对构件的稳定性和使用寿命造成一定的影响。所以本文也对稳态热负荷(5-25MW/m2)下含有不同界面层厚度的PFCs进行了热力耦合分析,并探讨了界面层厚度对该情况下PFCs温度分布、热应力、塑性应变的影响。研究发现,W/CuCrZr构件可以在5-10MW/m2的稳态热负荷下稳定工作；载荷较小时,由于界面层没有发生明显的塑性变形,所以界面层对热应力的影响不明显。当热流密度载荷大于等于10MW/m2时,界面层的加入可以有效的减小构件中的热应力,改善应力集中情况。因此,在较大的稳态热负荷下,我们通过加入界面层并优化其厚度降低了PFCs内部的热应力,改善了PFC的热-机械完整性。
在聚变堆装置实际运行过程中,通常还会有边界局域模或等离子体破裂等其它非正常事件的发生。因此,PFM除了要经受稳态热负荷的作用,还要受到很高的瞬态热冲击效应。所以在这样的情况下,PFCs将受到稳态和瞬态热负荷的耦合作用。而本文进一步实现了不同界面层厚度PFCs在稳态-瞬态耦合热负荷下的热力耦合分析。探讨了W/CuCrZr构件在稳态-瞬态耦合载荷下的稳定性以及界面层厚度对构件温度、热应力、塑性应变的影响。研究工作发现,瞬态载荷对温度的影响主要限于钨表层区域,而界面层的温度变化很小。这就导致钨表层区域产生较大的热应力,进而引发该区域的开裂、破坏。此外,加入界面层可以减小界面处的热应力,但是导致钨表层温度升高,进而使得该处热应力增大。通过对界面层厚度的优化,即减小了界面处热应力,又不会对钨表层区域的热应力造成太大影响,在一定程度上可以弥补钨基面向等离子体力学性能的不足。
此外,为了改善钨基材料的烧结特性和机械性能,本文采用真空热压烧结法(hotpressing, HP),制备了添加Ni、Nb、CNTs、TiC等不同烧结助剂的钨基材料。探讨烧结温度(1400～1500℃)和烧结助剂对材料密度、微观结构以及力学性能的影响。结果表明：所有钨基材料的密度和维氏硬度随烧结温度的升高而增大；加入烧结助剂可以有效的降低烧结温度,改善材料的致密性和力学性能。特别是1500℃烧结的W-1Nb-CNTs材料的致密度最高达到了理论密度的98.6%,材料硬度也较大,但是弯曲强度较低。
最后,本文在1500℃制备了Nb含量分别为0.5%,1%,3
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