核聚變應用中鎢合金的氧化保護

安徽工業大學近期展開的一項研究，提出了核聚變應用中鎢合金的氧化保護的新措施。作為等離子體導向材料（plasma guide material, PFM），鎢被廣泛用於核聚變反應堆。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，鎢被迅速氧化和揮發，這有可能會引起災難性的核洩漏事。研究人員指出自鈍化鎢合金和表面保護技術是解決這一問題的有效途徑。

隨著人類社會的發展，能源危機越來越嚴重，而核能被認為是最有前途的能源之一。根據熱核聚變應用的原理，控制氫核聚變反應產生聚變能被認為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。

它需要承受高熱流（HHF）、高能物品、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。金屬鎢被認為是理想的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的優良特性。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，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。為了減少W的損失，延長其在高溫氧化環境下的使用壽命。自鈍化鎢合金及其表面保護技術的發展已引起廣泛關注。

這項工作給出了自鈍化鎢合金及表面塗層保護技術。優化合金的製備工藝（HIPed合金的熱處理等）可以有效減少或消除其內部的裂紋和孔洞、熱應力和殘餘應力，從而降低其表面的粗糙度和孔隙率。此外，還可以加入一些有益元素（Ti、Zr、Y、Nb等）來提高W基合金的高溫強度，減緩Cr陽離子的擴散，促進氧化膜的形成。

合金化與表面塗層的兩步沉積工藝可以使各種元素在擴散過程中優勢互補，使塗層結構得到進一步優化。

因此，合金化與表面塗層技術相結合是一種非常有前途的氧化保護方法。它不僅可以提高鎢合金的機械性能和中溫抗氧化性，還可以有效提高合金的高溫抗氧化性。通過合金元素和塗層的擴散，可以優化塗層結構和成分，也可以減少塗層與基體之間CTE錯配造成的缺陷，有效提高W基材料的抗氧化性。

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