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材料问题是聚变能能否及早实现商业应用的关键技术问题之一,低活化铁素体/马氏体钢(RAFM钢)被普遍认为是未来聚变示范堆和第一座商用聚变电站的首选候选结构材料。本论文开展了具有自己特色的中国低活化马氏体钢——CLAM的设计和研究工作。
首先,在对国际上目前广泛研究的RAFM钢研究及其成果进行了广泛深入调研和分析的基础上,提出了更为合理和优化的成分设计方案及热处理工艺,给出了预期的性能指标和要求。在成分优化方面,与国际上广泛研究的其它RAFM钢相比,为兼顾提高强度、降低DBTT和减少Laves相析出可能性,成份设计中考虑了中等含量的W;适中含量的Mn可以改善其与液态锂铅的相容性;较低含量的Si可以改善其焊接性能;添加合适含量的Ta和V是为了形成弥散碳化物,控制晶粒生长和细化晶粒,提高材料的强度和韧性。从低活化角度考虑,对杂质元素,特别是对Nb、Co、Ag、Cu、Al等元素,要求尽可能控制其含量。
在优化的基础上,对CLAM钢冶炼工艺、热处理工艺及微观组织、物理性能、机械性能、氢氘等离子体辐照效应、F离子辐照效应等进行了实验研究和分析评价,并与国外同类型RAFM钢的性能进行了比较、评价。初步结果显示CLAM钢性能基本与设计要求一致,类似于国际上发展了多年的RAFM钢(如JLF-1,EUROFER,F82H等)的基本性能。如小试样DBTT为~-102℃;室温时抗拉强度、屈服强度、最大延伸率分别为687 MPa、530MPa、25%;高温600℃时对应各参数分别为373MPa、327MPa和19%。不同大小CLAM钢样品与等离子体相互作用实验并没有影响HT-7等离子体放电、等离子体参数与位型。初步辐照实验显示辐照至10dpa时CLAM钢的抗辐照特性优于F82H钢和T91钢。
利用FDS团队自主研发的大型多功能中子学程序系统VisualBUS及相应数据库,对不同中子能谱条件下(包括聚变中子能谱、聚变-裂变混合中子能谱)CLAM钢的中子辐照活化特性进行了数值模拟与分析。辐照条件的不同引起了CLAM钢活化特性的差异,即混合能谱条件下第一壁材料活化水平高于聚变发电堆内第一壁材料活化水平;而且混合中子谱引起材料活化水平的奇异性,即内包层结构材料活化程度反而高于外包层第一壁材料的活化程度。同时分析了停机剂量率的主要支配核素,并对保证CLAM钢低活化特性所要求的各种杂质含量的控制水平进行了评估。