ITER第一壁材料之厚鎢塗層噴塗

隨著國際熱核聚變實驗堆ITER的即將建造，研究適合ITER及今後聚變反應堆要求的面對等離子體材料(PFM)是目前聚變研究的熱點、難點和前沿研究課題，是直接關係到今後聚變反應堆能否實現的問題。

經多年研究，ITER已選用鎢作為主要的偏濾器靶板材料，而用C/C複合材料作為其餘部分，如果再沉積碳層中的高 滯留問題得不到很好解決，在ITER後期氘氚運行階段，就有可能採用鎢作為 ITER全部偏濾器靶板材料。

這其中的主要原因是低Z材料對於今後聚變反應堆第一壁，其壽命太短。 使用低Z材料(C、Be)每年將被濺射腐蝕掉3mm以上；而高Z鎢每年濺射腐蝕產額還不到0.1mm，如果第一壁以每五年更換一次來計算，其總腐蝕產額也不超過0.5mm。用高Z鎢及其合金作為PFM顯然是個好的選擇，即使ITER裝置目前第一壁材料暫定為Be，但在其後期氘、氚運行階段採用鎢作為第一壁和啟動限制器材料是其預留方案。因此對於今後穩態運行聚變反應堆，高Z鎢將成為最有希望的候選壁材料。

對於高功率、穩態運行聚變裝置，高熱負荷的即時移出是第一壁安全運行地必要條件，這不僅對PFM，而且對其與熱沉的連接提出了苛刻要求。今後的聚變反應堆應該是穩態運行的，實現穩態運行的必要條件是：能夠即時地移出沉積在第一壁上的熱負荷，其高熱負荷部件的熱通量通常可達 5～10MW/m²。鎢的熔點是所有金屬中最高的，鎢已被重新確認為今後聚變反應堆中最有希望的候選壁材料，但其常溫下屬脆性，加工過程中容易氧化、也容易被雜質所污染、損害鎢塗層作為面對等離子體材料的性能。銅鉻鋯合金有很高的熱導率，優良的熱力學與機械性能，是理想的熱沉材料。但鎢與銅合金的彈性模量與熱膨脹係數(4倍多)相差較大，如何實現這樣兩種性能差異很大材料的大面積連接，相當棘手。

近來，研究人員採用噴塗方案，將厚鎢塗層噴塗於的核聚變裝置中的第一壁部件或銅合金熱沉，製作方法：在真空等離子體噴塗設備中，採用CuCrZr合金熱沉作為基片，在基片上採用真空等離子體噴塗200-300目的NiCrAl粉作為中間適配層，再在適配 層上採用真空等離子體噴塗鎢粉作為厚鎢塗層，整個噴塗過程中採用主動水冷，將基片的溫度控制在100-500℃。最終所取得的效果，已經足夠滿足現有國家EAST偏濾器靶板、ITER後期及今後聚變反應堆第一壁2～3mm厚的鎢瓦壽命要求。在主動冷卻熱負荷實驗中，可以穩態地承受5～10MW/m₂熱負荷的長期作用。同時工藝相對簡單、可靠，可廣泛應用到目前核聚變實驗裝置偏濾器靶板與限制器等高熱負荷部件上。

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