钨合金在核聚变应用的氧化保护技术发展

金属钨作为备受关注的等离子体导向材料（plasma-oriented material, PFM），被广泛用于核聚变反应堆中。然而，它在高温下的抗氧化性很差。当反应堆失冷事故发生时，由于空气进入真空室，钨合金被迅速氧化和挥发，这将引起灾难性的核泄漏事故。有关学者进行了大量的研究，指出自钝化钨合金和表面保护技术的发展是解决这一问题的有效途径。

核能目前被认为是最有前途的能源之一。根据热核聚变的原理，控制氢聚变反应产生聚变能是未来解决能源问题的理想途径。作为国际热核聚变实验反应堆（International Thermal Fusion Experimental Reactor, ITER）的重要组成部分，分流器的可靠性和稳定性仍将是稳定输出核能的关键因素。分流器和外的等离子体表面材料（PFM）长期暴露在高束低能等离子体（H、He粒子）中，需要承受高热流（HHF）、高能粒子、电磁辐射和高能聚变反应中子辐照（14MeV）造成的损害。

因此，对PFM的性能有严格的要求。钨被认为是理想的PFM，因为它具有高熔点、高导热性、低物理溅射率、低燃料滞留和低中子活化等优良特性。然而，钨及其合金的表面熔化、开裂、再结晶脆化和辐照硬化（脆化）在核反应堆中很容易发生，导致严重的表面隆起和断裂。特别是当失去冷却剂事故（LOCA）发生时，在缺乏冷却剂的情况下，由于中子辐照后元素的衰变和热释放，第一壁的表面温度将在几天内达到1000℃以上。空气和蒸汽通过裂缝进入真空室后，钨装甲将发生灾难性的氧化。钨装甲在短时间内被氧化成挥发性和高放射性的WO₃。最后，它将在1-2个月内完全消失，这将造成不可估量的灾难性影响。

钨因其优异的性能而被广泛用于分流器和包层的第一壁（first wall）。ITER分流器由54个磁带（magnetic tapes）组成，每个磁带（cassette tape, CB）包含三个等离子体表面组件（plasma surface assemblies, PFCs）。其中，最具代表性的外垂直靶（outer vertical target, OVT）元件和CB是通过镍铝铜插脚连接的。

OVT的上部弯道由W型装甲覆盖，以避免PFC在稳态、热瞬变期和ITER中断时最高热流的影响。因此，组件材料必须具有高耐火性和可靠性。W基合金通过冷却管串在一起，固定在OVT的横截面上。这种设计不仅提高了系统的散热能力，而且还避免了装甲砖的掉落。此外，通过在冷却管中插入一个纯铜龙头，可以进一步提高OVT的散热能力和临界热通量性能。

参考来源：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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