中國(guó)氦冷固態(tài)增殖劑實(shí)驗(yàn)包層模塊材料研究進(jìn)展

盛 倩，吳姝琴，王曉宇，郁 杰，廖洪彬，鞏保平，楊國(guó)平，趙奉超，羅曉芳，錢小勇，羅德隆

(1.中國(guó)國(guó)際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心，北京 100037；2.核工業(yè)西南物理研究院，四川 成都 610041；3.中國(guó)科學(xué)院 核能安全技術(shù)研究所，安徽 合肥 230031)

氚是人造核素，作為氘-氚核聚變反應(yīng)堆所必需的燃料之一，通常采用中子與鋰的核反應(yīng)獲得。在未來核聚變反應(yīng)堆中，為補(bǔ)充氚的消耗，需要在核聚變堆的包層中進(jìn)行氚的“在線增殖”，以維持核聚變反應(yīng)的持續(xù)運(yùn)行。因此，“氚增殖與自持”是維持核聚變堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)裝置是世界上第一個(gè)熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆，該裝置不僅能用來集成驗(yàn)證聚變能源的科學(xué)可行性，而且提供了一個(gè)真實(shí)的氘-氚聚變中子環(huán)境，可用來驗(yàn)證聚變示范堆的關(guān)鍵工程技術(shù)。作為ITER三大工程目標(biāo)之一，ITER計(jì)劃實(shí)驗(yàn)包層項(xiàng)目(TBM項(xiàng)目，又稱氚增殖包層項(xiàng)目)旨在驗(yàn)證聚變堆條件下氚的在線增殖和能量提取技術(shù)。

我國(guó)于2009年確定采用以高溫高壓氦氣為冷卻劑、正硅酸鋰陶瓷球床為氚增殖劑、金屬鈹球床為中子倍增劑、低活化鐵素體/馬氏體鋼(RAFM鋼)為結(jié)構(gòu)材料的中國(guó)氦冷固態(tài)增殖劑實(shí)驗(yàn)包層模塊(HCCB TBM)概念參與ITER TBM計(jì)劃[1]。因此，HCCB TBM主要包括兩大類材料，即作為結(jié)構(gòu)材料的RAFM鋼和作為功能材料的氚增殖劑正硅酸鋰小球及中子倍增劑鈹小球。2015年，HCCB TBM完成了概念設(shè)計(jì)評(píng)審，當(dāng)前處于初步設(shè)計(jì)階段[2]。本文對(duì)HCCB TBM涉及的這些結(jié)構(gòu)和功能材料的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，為相關(guān)材料的進(jìn)一步研究提供參考。

1 結(jié)構(gòu)材料

聚變堆包層結(jié)構(gòu)材料所處的環(huán)境較為惡劣，對(duì)材料性能的要求相對(duì)較高。目前普遍認(rèn)為，包層結(jié)構(gòu)材料需要滿足以下幾個(gè)基本要求：中子截面小、低活化、力學(xué)性能穩(wěn)定，且具有足夠的韌性、塑性、強(qiáng)度及高溫蠕變強(qiáng)度；具有較好的抗高能中子輻照能力[3]。RAFM鋼因其較低的熱膨脹系數(shù)、高的熱導(dǎo)率、優(yōu)良的抗腫脹和抗輻照脆性能力成為未來聚變堆包層等部件的候選結(jié)構(gòu)材料[4]。RAFM鋼的發(fā)展歷史可追溯到20世紀(jì)80年代。目前，各國(guó)開發(fā)的優(yōu)良RAFM鋼包括美國(guó)的9Cr-2WVTa、日本的F82H、歐洲的EUROFER97、中國(guó)的CLAM和CLF-1等。HCCB TBM結(jié)構(gòu)材料同樣選用RAFM鋼，且有兩種備選材料，分別是由核工業(yè)西南物理研究院開發(fā)的CLF-1鋼和中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所開發(fā)的CLAM鋼。兩種鋼材研制總體發(fā)展進(jìn)度接近。

1.1 成分設(shè)計(jì)

RAFM鋼的主要合金元素為Cr、W、Ta、V、Mn等。這些合金元素在各類RAFM鋼中含量變化幅度都較小，但各合金的性能，尤其是韌脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)卻有較大差別[5]。為滿足低活化、高韌性、高塑性、高溫蠕變強(qiáng)度、較好的抗腐蝕性能等要求，在RAFM鋼設(shè)計(jì)中會(huì)嚴(yán)格控制各合金的元素成分和含量。Cr能提高RAFM鋼抗高溫氧化腐蝕、高溫屈服強(qiáng)度和抗蠕變性能。W能顯著提高材料的再結(jié)晶溫度、高溫屈服強(qiáng)度和抗蠕變性能，但W含量過高將會(huì)在晶界形成Laves相(Cr，F(xiàn)e)2W，導(dǎo)致在缺口沖擊試驗(yàn)時(shí)成為裂紋源。Ta與C、N等能形成碳氮化物，在固溶處理時(shí)釘扎奧氏體晶界，從而起到細(xì)化晶粒的作用，但Ta含量過高一方面會(huì)形成太多的碳化物引起脆性斷裂[5]，另一方面會(huì)因?yàn)槲樟颂嗟腃而不能保證合金在形成馬氏體時(shí)所需的C含量。V的加入可更好地細(xì)化晶粒，形成MX相，釘扎位錯(cuò)和馬氏體板條界，提高材料抗蠕變性能。Mn能有效提升材料的韌性。而對(duì)于長(zhǎng)周期高感生放射性元素如Mo、Ni、Nb、Co等，以及對(duì)材料性能有危害的元素如O、S、P、As、Sn、Sb、Zr、Si等，均需要嚴(yán)格限制。國(guó)產(chǎn)RAFM鋼CLF-1和CLAM在設(shè)計(jì)上均基于此理論。兩種鋼的主要合金元素一致，主成分差異主要表現(xiàn)為：CLF-1鋼為含氮RAFM鋼，氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.015%～0.040%；而CLAM鋼成分設(shè)計(jì)中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.02%。各種長(zhǎng)周期感生放射性元素都控制在100 ppm以下，滿足低活性的要求。

1.2 性能測(cè)試評(píng)價(jià)

在HCCB TBM生產(chǎn)制造前，必須對(duì)結(jié)構(gòu)材料的各類性能進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，包括生產(chǎn)工藝、成分、微觀組織、常規(guī)力學(xué)性能、物理性能、韌脆轉(zhuǎn)變溫度、疲勞性能、蠕變性能、高溫長(zhǎng)時(shí)時(shí)效性能以及與冷卻介質(zhì)的兼容性和與氚的相互作用等。

材料生產(chǎn)工藝、成分、微觀組織以及常規(guī)力學(xué)性能方面，CLF-1鋼和CLAM鋼均已在核聚變專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)[6-8]中規(guī)定。物理性能方面，CLF-1鋼和CLAM鋼均已完成了密度、彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率及磁導(dǎo)率等物理性能從室溫到600 ℃左右的數(shù)據(jù)測(cè)量，如表1所列，這些性能滿足HCCB TBM設(shè)計(jì)使用需求。

表1 CLF-1鋼和CLAM鋼的物理性能Table 1 Physical properties of CLF-1 steel and CLAM steel

強(qiáng)度是包層設(shè)計(jì)的直接輸入?yún)?shù)，CLF-1鋼與CLAM鋼均已測(cè)得大量從室溫到650 ℃的強(qiáng)度數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)與法國(guó)RCC-MRx規(guī)范(核裝置機(jī)械部件設(shè)計(jì)和建造規(guī)則)中EUROFER數(shù)據(jù)相當(dāng)[9-12]。

沖擊性能是壓力容器用材料必須考核的一個(gè)性能指標(biāo)，作為包層結(jié)構(gòu)材料，韌脆轉(zhuǎn)變溫度是RAFM鋼的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。目前，5噸級(jí)工業(yè)化生產(chǎn)CLF-1鋼和CLAM鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度均可達(dá)到-60 ℃以下[10,13]。

疲勞性能可反映材料承受周期載荷的能力，也是TBM在脈沖條件下必然要承受的載荷形式。CLF-1鋼和CLAM鋼均已評(píng)估了從室溫到600 ℃不同應(yīng)變條件下的疲勞性能，并建立了Manson-coffin模型預(yù)測(cè)曲線，為HCCB TBM設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支撐[1]。

材料的蠕變性能是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須參考的一個(gè)參數(shù)，同時(shí)其也表征著材料的高溫長(zhǎng)時(shí)使用性能。國(guó)內(nèi)RAFM鋼已開展了500、550、600 ℃不同應(yīng)力水平的蠕變性能測(cè)試，最長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間大于1萬小時(shí)[13-15]?；诋?dāng)前HCCB TBM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱力耦合計(jì)算，國(guó)內(nèi)RAFM鋼基本滿足HCCB TBM設(shè)計(jì)使用要求[16]。但當(dāng)前RAFM鋼蠕變性能測(cè)試數(shù)據(jù)較少，缺乏系統(tǒng)性，需進(jìn)一步完善以驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

由于RAFM鋼將長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在高溫高壓環(huán)境中，因此需要評(píng)估高溫長(zhǎng)時(shí)時(shí)效下材料的穩(wěn)定性。CLF-1鋼已開展了550 ℃下最長(zhǎng)11 000 h的時(shí)效試驗(yàn)，并評(píng)估了時(shí)效后材料組織、強(qiáng)度和DBTT等特性。結(jié)果表明，時(shí)效對(duì)材料強(qiáng)度和塑性的影響較小，而材料的DBTT從初始態(tài)的-60 ℃升高到10 000 h時(shí)的-30 ℃左右[10,17]。CLAM鋼經(jīng)過600 ℃和650 ℃下5 000 h處理后，DBTT分別為-10 ℃和-20 ℃[18]。

HCCB TBM為氦氣冷卻回路，涉及到氦氣與結(jié)構(gòu)材料的兼容性問題。CLF-1鋼在99.9%He+0.1%H2、500 ℃、8 MPa運(yùn)行環(huán)境中保持超過100 h，未發(fā)現(xiàn)材料與氦氣發(fā)生相互作用，僅有輕微氧化[10]。氚兼容方面的研究表明，CLAM鋼和CLF-1鋼均能在400 ℃以下脫附75%以上的氚[19]。

1.3 工業(yè)化生產(chǎn)及工藝

目前，CLF-1鋼和CLAM鋼均已完成5噸級(jí)工業(yè)化鑄錠生產(chǎn)技術(shù)及不同厚度軋板、鍛板和棒材的制備技術(shù)研究。在大尺寸鑄錠熔煉工藝方面，兩種鋼均采用真空熔煉(VIM)后再二次重熔的兩聯(lián)工藝。CLAM鋼主要采用VIM+VAR(真空自耗重熔)生產(chǎn)工藝[18]，而CLF-1鋼主要采用VIM+VAR和VIM+ESR(電渣重熔)兩種生產(chǎn)工藝開發(fā)[10]。

在型材制備方面，CLF-1鋼和CLAM鋼均進(jìn)行了軋板的制備工藝開發(fā)，厚度均達(dá)到了55 mm。針對(duì)TBM的制備需要，CLF-1鋼研制了不同直徑(φ70～110 mm)的棒材以及130 mm厚的鍛板。CLAM鋼也進(jìn)行了小方管的制備工藝開發(fā)。CLF-1鋼和CLAM鋼兩種型材的生產(chǎn)能力如表2所列。

表2 CLF-1鋼和CLAM鋼型材的生產(chǎn)能力Table 2 Production capacity of CLF-1 steel and CLAM steel

1.4 連接技術(shù)

CLF-1鋼和CLAM鋼開展了熱等靜壓(HIP)焊接、激光焊接(LBW)、電子束焊接(EBW)以及鎢極氬弧焊接(TIG)等焊接工藝開發(fā)。CLF-1鋼激光焊接厚度范圍為5～17 mm[20]，并實(shí)現(xiàn)了30 mm的激光填絲焊接工藝開發(fā)[21]。CLF-1鋼電子束焊接重點(diǎn)解決了超厚板(厚度大于30 mm)焊接及焊后熱處理工藝問題[22-24]。CLAM鋼方面，開展了不同連接工藝和焊后熱處理的試驗(yàn)研究，分析了其焊接裂紋敏感性，獲得了焊接過程中避免裂紋產(chǎn)生的臨界預(yù)熱溫度和臨界冷卻速度以及臨界應(yīng)力；研發(fā)了CLAM鋼專用焊絲，降低了焊縫中的殘余鐵素體含量，并改善了接頭的沖擊性能；掌握了CLAM鋼不同焊接方式下的連接特性及焊接特性，并獲得了接頭的拉伸、沖擊、疲勞等性能數(shù)據(jù)[25-28]。

2 功能材料

2.1 氚增殖劑

氚增殖劑是解決聚變堆中氚自持問題的關(guān)鍵功能材料，主要通過聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中子與氚增殖劑中的6Li發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生氦和氚實(shí)現(xiàn)氚的增殖。一般氚增殖劑為含鋰的材料，分為液態(tài)和固態(tài)兩種。液態(tài)氚增殖劑主要為液態(tài)鋰及液態(tài)鋰合金，如金屬鋰、鋰鉛合金(Li17Pb83)和氟鋰鈹熔鹽(Li2BeF4)等。固態(tài)氚增殖劑主要集中在鋰基陶瓷材料，主要包括Li4SiO4、Li2TiO3、Li2ZrO3、LiAlO2和Li2O等。液態(tài)鋰及鋰合金等的氚增殖比大、導(dǎo)熱性能較好、氚回收便利，既可作氚增殖劑也可作冷卻劑，產(chǎn)氚包層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但存在液態(tài)金屬易腐蝕結(jié)構(gòu)材料、易泄漏、存在磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)效應(yīng)等問題。固態(tài)鋰基陶瓷氚增殖劑最大的優(yōu)點(diǎn)在于化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、安全性較好及無磁流體效應(yīng)，但其包層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。

目前的ITER TBM計(jì)劃中，固態(tài)和液體氚增殖劑均有涉及，其中中國(guó)的HCCB TBS和韓國(guó)/歐盟的HCPB 或 HCCR TBS選用正硅酸鋰(Li4SiO4)陶瓷小球，日本的WCCB TBS選用鈦酸鋰(Li2TiO3)小球，歐盟的WCLL TBS選用液態(tài)Li-Pb。

從氚增殖劑產(chǎn)氚的角度考慮，氚增殖劑材料應(yīng)具有以下特點(diǎn)：高鋰原子密度、高導(dǎo)熱性、高能中子輻照下高輻照穩(wěn)定性與優(yōu)良的氚釋放和提取性能(氚釋放速率大、氚滯留量低，則氚提取容易)。國(guó)內(nèi)目前主要集中于固態(tài)氚增殖劑材料的研究，包括正硅酸鋰(Li4SiO4)和鈦酸鋰(Li2TiO3)，以及基于兩者的改性新型氚增殖劑，如正硅酸鋰-鈦酸鋰復(fù)相陶瓷、核殼狀氚增殖劑小球等。

針對(duì)基于固態(tài)氚增殖劑的產(chǎn)氚包層，氚增殖劑還需滿足可實(shí)現(xiàn)包層實(shí)時(shí)換料、具有較好的傳熱性能、利于氚的釋放和提取、降低熱梯度和熱應(yīng)力、緩解輻照腫脹效應(yīng)、有利于復(fù)雜產(chǎn)氚包層結(jié)構(gòu)裝配等嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)要求。由于球形顆粒狀氚增殖劑材料具有裝卸料容易、具有利于氚釋放的更大的比表面積、有利于氚提取的顆粒之間的多孔通道、顆粒材料可緩解熱膨脹和輻照腫脹效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，在目前ITER TBM計(jì)劃中固態(tài)產(chǎn)氚包層均采用球形鋰基陶瓷顆粒作為氚增殖劑。固態(tài)氚增殖劑小球的一般性能要求列于表3，幾種常用固態(tài)氚增殖劑的基本性能參數(shù)列于表4。其中Li2O的Li原子密度最高，無需中子倍增劑即可獲得足夠高的氚增殖比(TBR)，但其穩(wěn)定性較差，易與水發(fā)生反應(yīng)。LiAlO2的穩(wěn)定性最好，但相比其他增殖劑，其氚增殖性能和氚釋放性能較弱。Li2ZrO3具有較好的抗輻照性能和較高的氚增殖和釋放性能，但Li2ZrO3存在9種不同的相，較難制備單相Li2ZrO3陶瓷。Li2TiO3具有與Li2ZrO3相似的特性，且化學(xué)穩(wěn)定性高，不與水反應(yīng)，所以在水冷包層中多選用Li2TiO3作為氚增殖劑。而Li4SiO4的鋰原子密度僅次于Li2O，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、輻照穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，較低的氚釋放溫度和較全面的性能數(shù)據(jù)。此外，陶瓷、核殼狀氚增殖劑小球等的研發(fā)，但整體工藝不夠穩(wěn)定、性能數(shù)據(jù)不全，仍需大量研發(fā)工作。因此，中國(guó)HCCB TBS中選用綜合性能較好、數(shù)據(jù)較全面的Li4SiO4陶瓷小球作為氚增殖劑。同時(shí)為保證高效產(chǎn)氚，Li4SiO4陶瓷小球需具備密度高、 粒度分布窄、球形度高、強(qiáng)度大、晶粒小、雜質(zhì)少、開孔結(jié)構(gòu)豐富以及氚釋放性能優(yōu)異等特點(diǎn)。

表3 固態(tài)氚增殖劑小球的一般性能要求Table 3 General requirement for solid tritium breeder

表4 常用固態(tài)氚增殖劑基本性能參數(shù)[29-30] Table 4 Basic property parameter of common solid tritium breeder material[29-30]

1) 氚增殖劑正硅酸鋰小球的制備

氚增殖劑正硅酸鋰小球的制備工藝中主要包含氚增殖劑粉末的制備和陶瓷小球的制備。近十幾年來，國(guó)內(nèi)已研發(fā)出多種氚增殖劑陶瓷微球的制備工藝，有的制備工藝直接使用原材料制備氚增殖劑陶瓷小球，有的則需要預(yù)先制備氚增殖劑粉末然后制備陶瓷小球。目前氚增殖劑粉末的制備工藝主要有固相反應(yīng)法、溶膠凝膠法、水熱法等，其中固相反應(yīng)法制備氚增殖劑正硅酸鋰粉末的工藝最為成熟[29]。氚增殖劑陶瓷小球的制備工藝主要有熔融噴霧法[31-33]、濕法工藝(冷凍濕法工藝、溶膠-凝膠濕法工藝等)[34-36]、石墨球床法[37]、擠出滾圓法[38]等。各種工藝方法在制備過程中各有利弊，當(dāng)前主流的正硅酸鋰小球制備工藝及主要性能列于表5。從表5可看出，幾種工藝制備出的氚增殖劑小球的性能有所差異，但不易制得各項(xiàng)性能均優(yōu)異的氚增殖劑。目前濕法工藝、擠出滾圓法、石墨球床法等制備的氚增殖劑正硅酸鋰小球密度較低(80%～90%理論密度)，熔融噴霧法制備的氚增殖劑小球密度最高，可達(dá)到95%TD(理論密度)以上。需要說明的是，高密度氚增殖劑有助于提高固態(tài)包層的產(chǎn)氚率，更有利于實(shí)現(xiàn)聚變堆燃料氚的自持。目前中國(guó)HCCB TBM中主要采用熔融噴霧法制備氚增殖劑正硅酸鋰小球。

表5 不同工藝制備的正硅酸鋰小球性能Table 5 Properties of lithium orthosilicate spheres prepared by different processes

熔融噴霧法是將陶瓷原料在坩堝加熱裝置中加熱至熔化，熔融態(tài)的氚增殖劑從坩堝穩(wěn)定流出，在噴嘴處隨氣流流出或被氣流吹散成許多熔融態(tài)的小液滴，在表面張力作用下形成球體，然后在重力下降過程中快速冷卻凝固成陶瓷小球，該方法可以制備直徑在0.5～1.2 mm的微球。核工業(yè)西南物理研究院的馮勇進(jìn)等和昆明理工大學(xué)的胡勁等采用熔融噴霧法制備出開孔隙率5.2%、閉孔隙率0.75%、比表面積1.095 m2/g、密度≥94%TD(TD=2.4 g/cm3)的Li4SiO4小球[31]。中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所也建立了基于熔融噴霧法的Li4SiO4小球制備裝置，并成功制備了Li4SiO4小球。目前，采用熔融噴霧法制備氚增殖劑硅酸鋰小球的生產(chǎn)能力可達(dá)到100～200 kg/a。

熔融噴霧法制備工藝既可以采用一步法直接使用Li2CO3和SiO2作為原料制備正硅酸鋰小球，也可以采用兩步法先制備正硅酸鋰粉末，然后通過熔融噴霧制備正硅酸鋰小球。一步法工藝簡(jiǎn)單、成本較低，但正硅酸鋰小球中會(huì)存在少量Li2CO3殘留和Li2SiO3相。兩步法中增加了Li4SiO4粉末的制備工藝，增加了制備成本，但制備的正硅酸鋰小球的純度更高。熔融噴霧法制備Li4SiO4小球雖然工藝較簡(jiǎn)單，但制造設(shè)備造價(jià)較高，而且快速冷卻固化的過程使得小球內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，小球的壓碎強(qiáng)度較低，需要進(jìn)行后續(xù)熱處理以降低陶瓷球內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力并提高壓碎強(qiáng)度。

2) 固態(tài)氚增殖劑釋氚性能研究

鋰基陶瓷微球的性能影響著整個(gè)包層的氚增殖和氚提取性能，進(jìn)而影響聚變反應(yīng)堆中的能量提取和燃料氚的自持。產(chǎn)氚和釋氚是氚增殖劑材料的核心任務(wù)。在固態(tài)包層設(shè)計(jì)中，陶瓷氚增殖劑材料中的氚滯留量應(yīng)足夠小，以使增殖的氚盡可能多地被提取，且保證包層中的總氚量不超過安全限值。因此，需要氚增殖劑具有盡可能快的氚釋放速率和盡可能低的釋放溫度。氚的釋放形態(tài)還應(yīng)有利于氚的回收處理。

固態(tài)氚增殖劑釋氚的影響因素很多，釋氚行為研究的主要方法是開展釋氚實(shí)驗(yàn)，包括在線實(shí)驗(yàn)(堆內(nèi)實(shí)驗(yàn))和離線實(shí)驗(yàn)(堆外實(shí)驗(yàn))。在線釋氚實(shí)驗(yàn)是將實(shí)驗(yàn)樣品封裝在特制的容器中，然后置于裂變堆內(nèi)進(jìn)行輻照產(chǎn)氚，在產(chǎn)氚的同時(shí)進(jìn)行釋氚行為研究。當(dāng)實(shí)驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，樣品中產(chǎn)生的氚量即等于釋放的氚量。在線釋氚實(shí)驗(yàn)可在不同的溫度范圍與載氣組分等條件下進(jìn)行長(zhǎng)期運(yùn)行，因此能考察鋰的燃耗深度對(duì)釋氚行為的影響。這種實(shí)驗(yàn)工況與陶瓷增殖劑在包層中的真實(shí)服役工況最為接近。因此，在線釋氚實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有非常重要的工程參考價(jià)值。離線釋氚實(shí)驗(yàn)首先將實(shí)驗(yàn)樣品封裝在密閉的容器中，然后放入裂變堆內(nèi)進(jìn)行輻照產(chǎn)氚，最后在堆外進(jìn)行釋氚行為研究。在離線釋氚實(shí)驗(yàn)中，樣品的輻照時(shí)間通常較短，因此鋰的燃耗較淺，一般只能代表壽期初的釋氚行為。但相比于在線釋氚實(shí)驗(yàn)，離線釋氚實(shí)驗(yàn)具有成本低、周期短和實(shí)施難度較小等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于陶瓷增殖劑的釋氚行為研究，特別是針對(duì)基礎(chǔ)性科學(xué)問題。此外，通過離子注入技術(shù)將氚或氘離子注入氚增殖劑然后開展熱解吸實(shí)驗(yàn)也是研究氚增殖劑釋氚行為的一種方式。

中國(guó)工程物理研究院的冉光明等[39]采用離線釋氚實(shí)驗(yàn)方法，針對(duì)影響Li4SiO4釋氚行為的強(qiáng)磁場(chǎng)、表面雜質(zhì)和材料屬性等因素展開了系統(tǒng)研究，并對(duì)Li4SiO4的釋氚動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)載氣組分、水蒸氣吸附和材料屬性等因素對(duì)Li4SiO4釋氚行為的影響更顯著，而強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)Li4SiO4釋氚行為的影響非常小。表面雜質(zhì)對(duì)Li4SiO4釋氚行為的影響主要是水蒸氣吸附雜質(zhì)的貢獻(xiàn)。水蒸氣吸附雜質(zhì)的存在可促進(jìn)氚在低溫區(qū)(<450 ℃)的釋放，并使氚的釋放峰呈現(xiàn)出水解吸的特征。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)研究和動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，影響Li4SiO4釋氚行為的關(guān)鍵因素主要包括溫度、載氣組分、晶粒尺寸、表面化學(xué)狀態(tài)和表面輻照缺陷等。中國(guó)工程物理研究院的肖成建等[40]開展了鋰陶瓷微球釋氚行為及其與輻照缺陷的相關(guān)性研究。采用熱中子輻照堆外離線釋氚的實(shí)驗(yàn)方法，系統(tǒng)開展氚增殖劑的輻照釋氚行為及其影響因素研究，分析氚釋放過程的速控步驟，獲得了影響氚釋放行為的規(guī)律性認(rèn)識(shí)。中國(guó)工程物理研究院的康春梅等[41]進(jìn)行了鋰陶瓷增殖劑Li4SiO4表面釋氚行為研究，重點(diǎn)研究了晶粒表面反應(yīng)對(duì)釋氚行為的影響。主要通過離線釋氚實(shí)驗(yàn)研究了晶粒表面吸附解吸反應(yīng)以及同位素交換反應(yīng)對(duì)釋氚行為的影響，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了各表面反應(yīng)同時(shí)存在情況下的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制及優(yōu)先反應(yīng)類型，研究結(jié)果為解釋文獻(xiàn)中關(guān)于鋰陶瓷增殖劑釋氚行為不同的現(xiàn)象提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

借助中國(guó)工程物理研究院和中國(guó)原子能科學(xué)研究院的裂變反應(yīng)堆，我國(guó)正在開展固態(tài)氚增殖劑堆內(nèi)在線輻照產(chǎn)氚實(shí)驗(yàn)研究和氚增殖劑小球的堆內(nèi)輻照實(shí)驗(yàn)。總體上，國(guó)內(nèi)對(duì)氚增殖劑釋氚性能的研究已經(jīng)取得了階段性的成果，但整體研究仍不夠深入，固體氚增殖劑的釋氚行為和相關(guān)機(jī)理仍需要進(jìn)一步研究。

3) 氚增殖劑球床性能研究

氚增殖劑陶瓷小球堆積在固態(tài)包層中形成穩(wěn)定的堆積床，氚增殖劑球床的性能對(duì)固態(tài)包層的設(shè)計(jì)優(yōu)化至關(guān)重要。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)氚增殖劑球床性能的研究尚處于初步階段，大多采用數(shù)值模擬的方式對(duì)球床性能開展研究。在實(shí)驗(yàn)方面僅對(duì)球床的熱物理性能進(jìn)行了初步的研究，實(shí)驗(yàn)研究仍然不足。核工業(yè)西南物理研究院的馮勇進(jìn)等[42]采用瞬態(tài)平面熱源法研究了非壓縮氚增殖劑Li4SiO4球床的有效熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)和等效體積比熱，并開展了鋰基陶瓷微球和中子倍增劑鈹球壓碎強(qiáng)度、鈹球及球床熱膨脹性能的研究。另一方面，通過堆積實(shí)驗(yàn)和離散元模擬開展了單尺寸球床和雙尺寸球床堆積性能的研究，分析了顆粒粒度大小及粒度分布、顆粒間摩擦系數(shù)和恢復(fù)系數(shù)、球床形狀和尺寸、顆粒填充工藝等對(duì)球床堆積性能的影響[43]。中國(guó)科學(xué)院等離子體研究所的陳磊等[44]采用離散元模擬方法研究了氚增殖劑球床的有效熱導(dǎo)率、機(jī)械性能及提氚氣體流動(dòng)特性等。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和華中科技大學(xué)分別采用熱探針法和穩(wěn)態(tài)法開展了非壓縮Li4SiO4球床的有效熱導(dǎo)率的研究[45-46]。西安交通大學(xué)通過實(shí)驗(yàn)研究了氚吹掃氣體氦氣通過球床后的沿程壓降，獲得了較好的結(jié)果[47]。中國(guó)原子能科學(xué)研究院在中國(guó)先進(jìn)研究堆(CARR)上開展了堆內(nèi)輻照環(huán)境下氚增殖劑球床有效熱導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)研究[48]。以上研究為固態(tài)包層的設(shè)計(jì)提供了一定的支持，但國(guó)內(nèi)仍亟需開展大量的實(shí)驗(yàn)研究以補(bǔ)充球床性能數(shù)據(jù)，為固態(tài)包層的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 中子倍增劑

1) 中子倍增劑鈹小球制備

未來聚變堆設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)之一是發(fā)展閉式燃料循環(huán)——反應(yīng)堆自身能產(chǎn)生足夠的核燃料。在聚變堆中，每個(gè)中子至少產(chǎn)生1個(gè)氚，在產(chǎn)氚之前，損失掉一些中子，為增加中子通量，需要有效的中子倍增劑，維持每個(gè)中子產(chǎn)生氚的數(shù)目(氚增殖比)大于1。由于鈹具有較大的(n, 2n)反應(yīng)截面，是良好的中子倍增劑材料。因此，在基于固體鋰增殖的聚變反應(yīng)堆中，多選擇鈹作為中子倍增劑。在HCCB TBM模塊中即選用鈹小球作為中子倍增劑材料。

核工業(yè)西南物理研究院聯(lián)合西北稀有金屬材料研究院成功研制了高純真空熱壓鈹(CN-G01)，并通過ITER國(guó)際組織的認(rèn)證，成為ITER三種可選鈹材之一。在研制鈹材的基礎(chǔ)上，核工業(yè)西南物理研究院聯(lián)合寶雞海寶特種金屬材料有限公司進(jìn)一步采用等離子體旋轉(zhuǎn)電極工藝(REP)成功制備了金屬鈹小球，使我國(guó)成為除日本外第二個(gè)掌握該技術(shù)制備鈹小球的國(guó)家[49]。目前，采用等離子體旋轉(zhuǎn)電極工藝生產(chǎn)的鈹小球，成球率達(dá)到60%以上，球形度高、粒徑可控，綜合性能較好。但目前僅能達(dá)到每批次10 kg的生產(chǎn)規(guī)模，為了滿足未來聚變堆的需求，仍需要進(jìn)一步開展低成本、規(guī)?；苽浼夹g(shù)的研究。此外，核工業(yè)西南物理研究院聯(lián)合寶雞海寶特種金屬材料有限公司基于旋轉(zhuǎn)電極工藝成功制備了鈹合金小球，但制備規(guī)模較小。由于鈹具有生物毒性，極大限制了中子倍增劑鈹及鈹合金小球在國(guó)內(nèi)的研制。

2) 中子倍增劑鈹球及球床性能研究

國(guó)內(nèi)關(guān)于鈹材料的輻照性能研究尚處于起步階段，特別是國(guó)產(chǎn)鈹材料的輻照性能研究數(shù)據(jù)更少。核工業(yè)西南物理研究院和中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所合作開展了不同劑量的氦離子注入對(duì)國(guó)產(chǎn)鈹材(CN-G01)表面結(jié)構(gòu)和性能的影響，分析了氦離子輻照引起的鈹表面起泡行為及其影響因素，初步研究了在金屬鈹表面注入氦離子對(duì)其性能的影響[50]。北京科技大學(xué)開展了氦和氬離子輻照鈹?shù)奈⒂^缺陷分析[51]，以及氦離子輻照對(duì)鈹鎢合金表面結(jié)構(gòu)的影響[52]。

國(guó)內(nèi)對(duì)鈹球床性能的研究尚處于初步階段，核工業(yè)西南物理研究院基于瞬態(tài)平面熱源法的裝置，初步開展了鈹球床常溫?zé)釋?dǎo)率的測(cè)量，分析了鈹小球的機(jī)械性能、鈹小球及球床的熱膨脹系數(shù)，并通過堆積實(shí)驗(yàn)和離散元模擬研究了鈹球床的堆積性能。中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等主要以數(shù)值模擬和理論分析為手段研究了鈹球床的有效熱導(dǎo)率、機(jī)械性能以及內(nèi)部提氚氣體的流動(dòng)特性等。

由于鈹具有生物毒性，在高溫下會(huì)有少量蒸發(fā)，開展鈹相關(guān)的實(shí)驗(yàn)對(duì)人員的安全防護(hù)要求較高，這在一定程度上限制了鈹小球及球床性能的相關(guān)研究。目前國(guó)內(nèi)對(duì)鈹小球及鈹球床各項(xiàng)性能的研究仍然處于起步階段，尚未開展系統(tǒng)性研究。因此，亟需開展大量的實(shí)驗(yàn)研究以補(bǔ)充數(shù)據(jù)，為固態(tài)包層的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供技術(shù)支持。

3 總結(jié)與展望

本文對(duì)中國(guó)氦冷固態(tài)增殖劑實(shí)驗(yàn)包層模塊用結(jié)構(gòu)材料RAFM鋼、功能材料氚增殖劑正硅酸鋰和中子倍增劑鈹?shù)某煞衷O(shè)計(jì)、制造工藝、性能數(shù)據(jù)的完整性、力學(xué)性能結(jié)果和服役性能評(píng)估等進(jìn)行了分析。國(guó)內(nèi)研發(fā)的這3種材料在ITER TBM使用層面，成分設(shè)計(jì)的合理性、制造工藝工業(yè)化程度和可靠性、設(shè)計(jì)所需性能的完整性等方面均已初步達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

無論是結(jié)構(gòu)材料還是功能材料，都將面對(duì)聚變實(shí)驗(yàn)堆內(nèi)較惡劣的服役條件，對(duì)材料的各項(xiàng)性能均有較高要求。而現(xiàn)有大量數(shù)據(jù)均為各研究單位分別測(cè)試和分析的結(jié)果，其數(shù)據(jù)可靠性以及系統(tǒng)性還需要進(jìn)一步開展研究。結(jié)構(gòu)材料方面，需要構(gòu)建基于大量可追溯以及標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試的性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)庫。功能材料方面，對(duì)氚增殖劑球床性能的研究不足，需要進(jìn)一步完善，包括熱機(jī)械性能、抗輻照性能、釋氚性能等；對(duì)鈹球床在高溫條件下的堆積性能、熱機(jī)械性能、熱物理性能等方面尚未開展實(shí)驗(yàn)研究。這些內(nèi)容應(yīng)在下一步材料工程化認(rèn)證和材料綜合性能測(cè)試中逐步開展并不斷完善，為中國(guó)氦冷固態(tài)增殖劑實(shí)驗(yàn)包層系統(tǒng)的研發(fā)制造提供技術(shù)支持。同時(shí)，基于可靠及大量的生產(chǎn)及測(cè)試數(shù)據(jù)，可建立聚變堆設(shè)計(jì)用RAFM鋼材料、氚增殖劑材料和中子倍增劑材料的材料性能標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)庫，以支撐未來聚變堆設(shè)計(jì)研究。