钨钾合金-低活化钢面向等离子体部件功能梯度材料的制备及辐照损伤行为研究

Material failure caused by radiation damage is one of the key problems in the development of nuclear fusion. For a complete plasma facing component (PFC), the joining of plasma facing material (PFM)-heat sink materials as well as heat sink material-structural material is a vital issue. Its radiation damage under service environment has become an important technical problem for fusion device development. The solution of this problem is of great significance for the anti radiation performance of the fusion reactor materials and the evaluation of the radiation damage resistance of the materials. Based on the previous work, this project will explore the preparation and the irradiation damage of WK alloy-low activation steel PFC materials in order to understand the relationship between the structure and performance. The stability of WK PFM-heat sink material, heat sink material-structural material interface will be studied under heat load, and the evolution of material structure caused by thermal shock and ion irradiation will be clarified. This study will provide important reference data for the design and development of future PFC in CFETR and DEMO.

材料辐照损伤导致的材料失效是制约核聚变发展的关键问题之一。对于一个完整的面向等离子体部件（PFC），面向等离子体材料（PFM）与热沉材料、热沉材料与结构材料之间的连接至关重要，其服役环境下的辐照损伤已经成为聚变装置发展的一个重要技术难题。这个问题的解决与否，对于聚变堆材料的抗辐照损伤性能，以及评价材料的抗辐照损伤能力，都具有至关重要的意义。本项目拟在前期工作基础上，围绕结构与性能相互关系关键基础问题，开展聚变堆面向等离子体部件材料钨钾合金-低活化钢的制备及其辐照损伤研究，包括探索钨钾合金PFM与热沉材料、热沉材料与结构材料在高热负荷环境下界面的稳定性，阐明聚其在服役环境下热冲击、离子辐照引起的材料组织结构的演化规律，并进一步澄清辐照引起的微结构变化对材料力学性能的影响，模拟研究聚变堆环境下PFC部件材料的服役性能，为未来CFETR和DEMO中PFC部件材料的研发提供重要参考数据。

面向等离子体部件（PFC）中面向等离子体材料（PFM）与热沉材料、热沉材料与结构材料之间的连接至关重要，已经成为聚变装置发展的一个重要技术难题。本课题探索了钨钾合金-低活化钢面向等离子体部件材料的制备新方法，并研究了离子辐照、热冲击等基本服役性能，主要成果如下：.1、采用粉末冶金和放电等离子体烧结技术来制备出具有高致密度、界面结合良好、均匀等优点的钨钾合金-钒合金功能梯度材料，各层粉末分布均匀、无表面裂纹、硬度足够高、结合良好、致密度达95%以上。.2、利用激光选区熔化（SLM）3D打印技术研究了W和钢之间的连接，直接在钢板上成功地进行了钨钢之间的连接；且由于钨钢界面弥散强化作用，导致其强度超过250 Mpa。根据PFC在聚变堆中的具体服役工况，600℃和800℃温度下退火后样品的连接强度保持较好，但1000℃后续热处理会导致钨钢连接层生成相Fe7W6脆性相，从而导致连接强度下降。.3、利用自离子辐照的离子能量可调、放射性低、注入剂量高、只产生原子离位损伤、不引入异质原子、不改变被辐照物质的化学组成等优势，采用串联加速器实施3 MeV W2 +离子辐照来模拟由中子引起的离位损伤。结果表明，尽管初始硬度值较高，但在相同的离位损伤下，WK的硬度增量比ITER-W小，这主要是由于钾泡对辐照缺陷抑制作用的影响。.该研究结果可为开发聚变堆PFC具有重要的数据参考，对军事上开发新型穿甲弹或药型罩也具有一定的参考价值。.本课题执行期内，培养博士1名，硕士2名；本项目在国内外知名学术刊物上发表研究论文11篇，国家发明专利1项。