[发明专利]用石英和SiCf/SiC复合材料制备高温液态金属回路的方法

说明书

技术领域

本发明涉及热核聚变反应堆的零件的制备，尤其涉及反应堆中高温液态金属回路的制备方法。

背景技术

作为一种经济、安全、可靠、清洁的新能源，核聚变能对于从根本上解决能源紧张和减轻环境污染具有十分重要的意义。聚变反应堆是获得和使用核聚变能的核心部件。因此，聚变反应堆技术引起世界各国的高度重视。目前，美、俄、法、中、日、韩、印七方合作进行国际热核实验堆计划(International Thermonuclear Experimental Reactor，简称ITER)，共同开发聚变堆技术，计划在2050年将聚变能用于发电。

材料技术是反应堆技术中的关键。著名物理学家费米早在1946年就指出：“核技术的成败取决于材料在反应堆环境中的行为”，之后几十年核反应堆的发展证实了此断言。作为聚变堆中的核心部件，包层的工作环境最为苛刻。随着核聚变反应堆向高环境安全性、高热效率、高实用性的方向发展，对包层结构材料在耐高温、抗热震、抗氧化、辐照稳定性、抗高能粒子轰击、低诱导活性、化学稳定性等方面提出了越来越高的要求。Be、W、低活性不锈钢、钒合金等都是候选材料，但它们存在有毒，熔点低，抗辐照、抗氧化和抗冲蚀的能力不理想(例如Be)，密度太大，对等离子体的稳定运行有较大影响，活性较高，难加工(例如W)，化学稳定性和工作温度不高，能量转换效率不高(例如低活性不锈钢、钒合金)等缺点。C/C复合材料由于具有抗热震、耐高温、热导率高等优点也成为聚变堆面向高温等离子体的候选材料，但C/C复合材料(尤其是C基体)抗氧化性能差，抗高温等离子体中高能活性粒子的物理和化学溅射的能力差，在辐照下结构和性能的稳定性较差，很容易与吸收的氚共沉积形成灰尘，受辐照后吸收氚的能力还会显著提高，这不仅需要进行清洁处理，还会对环境和人身安全造成很大威胁。

包层材料的性能除应具备上述严苛的条件要求外，与包层中的氚增殖剂、中子倍增剂和冷却剂的化学相容性也是现实中亟待解决的问题。氚增殖剂和中子倍增剂是维持聚变反应的重要物质，冷却剂则起到将热量带走用于发电的重要作用。而液态Li-Pb集氚增殖剂、中子倍增剂和冷却剂三种功能于一身，对辐照损伤具有很高的免疫力，可以低压运行，对复杂构型具有很好的适应性，使用它可以简化包层结构和提氚工艺，在包层运行时可对Li进行实时在线替换而不用考虑装卸和停堆等安全问题。因此，参加ITER的七方都非常重视液态Li-Pb包层的发展，其中欧盟、美国和中国均将液态Li-Pb包层作为重点发展对象。中国要想在液态Li-Pb包层领域占据技术制高点，迫切需要高性能的包层结构材料制备成液态Li-Pb的回流管路，从而为热核聚变反应堆技术的广泛应用打下坚实的基础。

SiC_f/SiC复合材料被公认为目前最理想的包层结构材料，它的应用可以显著提高聚变堆的能量转换效率、可靠性和工作寿命，大幅度降低核废物的产量和放射性水平，且SiC_f/SiC复合材料与高温Li-Pb熔液的化学相容性较好，从而使聚变能从真正意义上成为一种高效、清洁、安全的能源。中国的双功能锂铅(Li-Pb)实验包层模块DFLL-TBM、聚变发电反应堆FDS-II和高温制氢堆FDS-III设计中锂铅出口温度分别达到700℃和1000℃，均采用目前技术相对成熟的低活化铁素体/马氏体钢(RAFM)作为结构材料，而RAFM钢在聚变堆中的工作温度上限为550℃，不能满足高温Li-Pb熔液对流通回路的耐高温要求。因此在设计中采用流道插件(FCI)技术，即将SiC_f/SiC复合材料作为功能材料制成Li-Pb流道插件，通过FCI作为电绝缘和热绝缘体隔离高温锂铅和RAFM钢直接接触，来提高液态金属锂铅出口温度。这一系列的设计对SiC_f/SiC复合材料及构件提出了迫切的需求。当前，国际上比较先进的三种聚变堆概念(美国的ARIES-I、欧盟的TAURO、日本的DREAM)都是基于SiC_f/SiC复合材料为包层结构材料而设计的。研究表明，这三种概念能否实现最终取决于高性能SiC_f/SiC复合材料的发展。