鎢銅等離子部件製造技術取得關鍵突破

近日前，據法國原子能委員會（CEA）/磁約束核聚變研究所（IRFM）的科研人員傳來的好消息：中國科學研究院等離子體物理研究所在研製兩類鎢銅面向等離子體部件（W/Cu-PFC）試驗模組開展的高熱負荷（HHF）測試中取得了關鍵性進展。這裏的鎢銅面向等離子體部件主要指的是鎢銅穿管部件。鎢銅穿管部件是偏濾器垂直靶板上的部件，而偏濾器又在磁約束核聚變反應堆中扮演著一個關鍵角色。其主要作用是使等離子體與材料的相互作用在分開的兩個室腔中分別進行，並將所產生的雜質源與主等離子體分隔開。通常對偏濾器進行性能檢測採用的是高熱負荷輻照，這也是評價鎢銅穿管部件品質的一個重要標準。

鎢銅材料具有鎢高熔點、高強度、優良的耐磨耐蝕性，低的濺射率和低滯留等優良特性，是公認的最適合於未來核聚變反應堆面向等離子體的材料。鎢銅穿管是先在鎢塊上鑽孔，而後通過釺焊或熱等靜壓（HIP）等工藝將鎢塊與鉻鋯銅管連接起來。由於其結構具有對稱性，在某種程度上能夠緩解熱應力集中的情況以及消除應力的分歧點，從而使得其能夠承受較高熱負荷的輻照。熱等靜壓工藝所製備的鎢銅穿管部件兩相結合面良好、無明顯裂紋，但是當管壁周向厚度不均勻時，在HIP過程中會發生塌陷和開裂的現象。而本次中國科學院在製備技術上取得重大突破，在國際上首次實現了鎢銅PFC的批量生產，為全面開展長脈衝高參數條件下的等離子體與鎢相互作用研究提供了優異的平臺。根據IREM科研人員報告的相關結果：W/Cu穿管（Monoblock）模組的4號鎢塊承受住了1200次10MW/m2和300次20MW/m2熱負荷輻照；5號鎢塊承受住了500次10MW/m2和500次20MW/m2熱負荷輻照，超出了國際熱核聚變實驗堆ITER對20MW/m2熱負荷輻照300次的要求。另外，W/Cu平板（Flat type）模組FT1承受住了102次10MW/m2、102次15MW/m2和302次20MW/m2熱負荷輻照；平板模組FT2承受住了302次10MW/m2、102次15MW/m2和102次20MW/m2熱負荷輻照。平板模組的輻照結果遠遠超出了5MW/m2的ITER設計要求，刷新了W/Cu平板部件HHF試驗的已知記錄。這也從一定程度上證明了等離子體鎢銅PFC連接技術的先進性。