鎢合金在核聚變應用的氧化保護技術發展

金屬鎢作為備受關注的等離子體導向材料（plasma-oriented material, PFM），被廣泛用於核聚變反應堆中。然而，它在高溫下的抗氧化性很差。當反應堆失冷事故發生時，由於空氣進入真空室，鎢合金被迅速氧化和揮發，這將引起災難性的核洩漏事故。有關學者進行了大量的研究，指出自鈍化鎢合金和表面保護技術的發展是解決這一問題的有效途徑。

核能目前被認為是最有前途的能源之一。根據熱核聚變的原理，控制氫聚變反應產生聚變能是未來解決能源問題的理想途徑。作為國際熱核聚變實驗反應堆（International Thermal Fusion Experimental Reactor, ITER）的重要組成部分，分流器的可靠性和穩定性仍將是穩定輸出核能的關鍵因素。分流器和外的等離子體表面材料（PFM）長期暴露在高束低能等離子體（H、He粒子）中，需要承受高熱流（HHF）、高能粒子、電磁輻射和高能聚變反應中子輻照（14MeV）造成的損害。

因此，對PFM的性能有嚴格的要求。鎢被認為是理想的PFM，因為它具有高熔點、高導熱性、低物理濺射率、低燃料滯留和低中子活化等優良特性。然而，鎢及其合金的表面熔化、開裂、再結晶脆化和輻照硬化（脆化）在核反應爐中很容易發生，導致嚴重的表面隆起和斷裂。特別是當失去冷卻劑事故（LOCA）發生時，在缺乏冷卻劑的情況下，由於中子輻照後元素的衰變和熱釋放，第一壁的表面溫度將在幾天內達到1000℃以上。空氣和蒸汽通過裂縫進入真空室後，鎢裝甲將發生災難性的氧化。鎢裝甲在短時間內被氧化成揮發性和高放射性的WO₃。最後，它將在1-2個月內完全消失，這將造成不可估量的災難性影響。

鎢因其優異的性能而被廣泛用於分流器和包層的第一壁（first wall）。ITER分流器由54個磁帶（magnetic tapes）組成，每個磁帶（cassette tape, CB）包含三個等離子體表面元件（plasma surface assemblies, PFCs）。其中，最具代表性的外垂直靶（outer vertical target, OVT）元件和CB是通過鎳鋁銅插腳連接的。

OVT的上部彎道由W型裝甲覆蓋，以避免PFC在穩態、熱瞬變期和ITER中斷時最高熱流的影響。因此，元件材料必須具有高耐火性和可靠性。W基合金通過冷卻管串在一起，固定在OVT的橫截面上。這種設計不僅提高了系統的散熱能力，而且還避免了裝甲磚的掉落。此外，通過在冷卻管中插入一個純銅龍頭，可以進一步提高OVT的散熱能力和臨界熱通量性能。

參考來源：Fu T, Cui K, Zhang Y, et al. Oxidation protection of tungsten alloys for nuclear fusion applications: A comprehensive review[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2021, 884: 161057.

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