ITER第一壁材料之厚钨涂层喷涂

随着国际热核聚变实验堆ITER的即将建造，研究适合ITER及今后聚变反应堆要求的面对等离子体材料(PFM)是目前聚变研究的热点、难点和前沿研究课题，是直接关系到今后聚变反应堆能否实现的问题。

经多年研究，ITER已选用钨作为主要的偏滤器靶板材料，而用C/C复合材料作为其余部分，如果再沉积碳层中的高 滞留问题得不到很好解决，在ITER后期氘氚运行阶段，就有可能采用钨作为 ITER全部偏滤器靶板材料。

这其中的主要原因是低Z材料对于今后聚变反应堆第一壁，其寿命太短。 使用低Z材料(C、Be)每年将被溅射腐蚀掉3mm以上；而高Z钨每年溅射腐蚀产额还不到0.1mm，如果第一壁以每五年更换一次来计算，其总腐蚀产额也不超过0.5mm。用高Z钨及其合金作为PFM显然是个好的选择，即使ITER装置目前第一壁材料暂定为Be，但在其后期氘、氚运行阶段采用钨作为第一壁和启动限制器材料是其预留方案。因此对于今后稳态运行聚变反应堆，高Z钨将成为最有希望的候选壁材料。

对于高功率、稳态运行聚变装置，高热负荷的实时移出是第一壁安全运行地必要条件，这不仅对PFM，而且对其与热沉的连接提出了苛刻要求。今后的聚变反应堆应该是稳态运行的，实现稳态运行的必要条件是：能够实时地移出沉积在第一壁上的热负荷，其高热负荷部件的热通量通常可达 5～10MW/m²。钨的熔点是所有金属中最高的，钨已被重新确认为今后聚变反应堆中最有希望的候选壁材料，但其常温下属脆性，加工过程中容易氧化、也容易被杂质所污染、损害钨涂层作为面对等离子体材料的性能。铜铬锆合金有很高的热导率，优良的热力学与机械性能，是理想的热沉材料。但钨与铜合金的弹性模量与热膨胀系数(4倍多)相差较大，如何实现这样两种性能差异很大材料的大面积连接，相当棘手。

近来，研究人员采用喷涂方案，将厚钨涂层喷涂于的核聚变装置中的第一壁部件或铜合金热沉，制作方法：在真空等离子体喷涂设备中，采用CuCrZr合金热沉作为基片，在基片上采用真空等离子体喷涂200-300目的NiCrAl粉作为中间适配层，再在适配 层上采用真空等离子体喷涂钨粉作为厚钨涂层，整个喷涂过程中采用主动水冷，将基片的温度控制在100-500℃。最终所取得的效果，已经足够满足现有国家EAST偏滤器靶板、ITER后期及今后聚变反应堆第一壁2～3mm厚的钨瓦寿命要求。在主动冷却热负荷实验中，可以稳态地承受5～10MW/m₂热负荷的长期作用。同时工艺相对简单、可靠，可广泛应用到目前核聚变实验装置偏滤器靶板与限制器等高热负荷部件上。