面向聚变包层冷却管道可靠性的极端环境失效物理建模

Blanket technology is one of the core technologies for the commercialization of fusion energy. The failure of the blanket cooling pipes will lead to accident due to the leakage of coolant. The reliability of cooling pipe is essential for the fusion reactor’s safe and stable economical operation. But it is very difficult to obtain the reliability data of the blanket cooling pipes by reliability test directly, because blankets operate in the environment of high temperature and irradiation from neutron with high energy. The reliability data can be modified according to the environment factor provided by physics-of-failure, which is a solution for data access. However, there is a lack of physics-of-failure model for the components in extreme environments. In this project, the physics-of-failure for the blanket cooling pipes in fusion reactors will be analyzed. On the basis of experimental data of the blanket structural material China low activation martensitic steel CLAM, physics-of-failure model for high temperature will be build based on Arrhenius model, and physics-of-failure model for radiation of neutron with high energy will be build based on degradation factor. Reliability data of cooling pipes will be modified according to these models after they have been verified. This study can make progress of the study of the physics-of-failure, and enrich the modified method of reliability data, thus there is a strong scientific significance. Also, this study has its significant value of application. These physics-of-failure model can supply the reliability data to support the reliability analysis of the fusion reactors and provide reference for other components operating in extreme environments.

包层技术是聚变能走向商业应用的核心技术之一，包层冷却管道失效会导致冷却剂泄漏而造成事故，其可靠性决定了聚变堆能否安全稳定运行。然而包层冷却管道面临高温、高能中子辐照的极端环境，其可靠性数据难以通过可靠性试验直接获取。基于失效物理的环境因子可以对可靠性数据进行修正，提供了一种数据获取途径，但是目前缺乏极端环境下的失效物理模型。本项目拟对聚变堆包层冷却管道在高温、高能中子辐照下的失效物理进行分析，以其结构材料中国抗中子辐照钢CLAM实验数据为基础，基于阿伦尼斯模型拟合建立高温下的失效物理模型，并采用辐照退化因子建立高能中子辐照下的失效物理模型，经过进一步的实验数据验证后，最终对冷却管道可靠性数据进行修正。研究成果有望对失效物理研究起到一定推动作用，并丰富可靠性数据修正方法，有较强的科学意义；所建立的失效物理模型为聚变可靠性分析提供支持，还可供其他严苛环境下的数据修正参考，有较强的应用价值。

聚变能具有资源无限、不污染环境、无高放射性核废料等优点，是人类未来能源的主导形式之一，有望解决人类社会的能源和环境问题。实验包层是聚变堆的重要系统之一，其可靠性直接决定聚变堆能否安全、稳定运行。冷却管道作为聚变包层的主要部件，其在聚变极端环境下的可靠性数据是影响包层可靠性分析的一个关键问题。由于聚变堆极端环境下的可靠性试验代价昂贵且不易实现，很难直接获取其可靠性数据。而裂变堆部件及运行环境与聚变堆相似，因此裂变堆可靠性数据通常被作为基准数据经修正后供聚变堆使用。如何将现有数据修正为适合于ITER 的可靠性分析是目前国际聚变可靠性数据研究领域待解决的关键问题。研究表明，基于环境因子的可靠性数据修正方法对于聚变堆部件可靠性数据的获取是可行的，但是目前尚缺乏适用于聚变堆极端运行环境的失效物理模型。.本项目已经完成如下研究内容：（1）开展CLAM钢在更高温度长时间的高温时效实验，对高温时效实验后的拉伸、冲击、断裂韧性等性能进行测试，并结合其它实验数据，拟合温度与激活能的关系式，建立温度失效物理模型。（2）研究CLAM钢在不同辐照剂量下的辐照退化因子，分析计算了包层冷却管道在在不同的温度、中子辐照环境下的活化结果，建立中子辐照失效物理模型。（3）在瑞士散裂中子源PSI上开展CLAM钢20dpa的高能中子辐照实验，开展一系列的测试包括拉伸性能测试，对中子辐照失效物理模型进行验证，同时对比分析不同辐照环境的退化因子差异。采用实验数据对高能中子辐照与高温失效物理模型，以及相应的可靠性数据进行对比分析和验证。本研究拓展了基于环境因子的可靠性数据修正方法的适用性，为准确可信的聚变堆包层可靠性分析提供符合运行环境的可靠性数据支持。.本项目共发表SCI论文4篇，国际学术会议报告1篇，申请国家发明专利1项，培养博士研究生1名。相关成果已经在聚变工程、高温辐照材料项目中获得初步应用。