5月30日ITER官方发出消息，中方代表团赴法出席ITER理事会管理咨询委员会第三十七次会议。
MAC-37中方代表团，摘自ITER官网
ITER项目介绍国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）计划是目前世界上规模仅次于国际空间站的大科学工程计划，也是目前在建的世界上最大的实验性托卡马克核聚变反应堆。项目选址法国南部小城卡达拉什，目的是通过建造真正的反应堆级核聚变装置，验证和平利用核聚变发电的科学和工程技术可行性，是人类实现可控核聚变研究走向实用的关键一步。需要特别指出的是：ITER早期阶段不以发电为目的，而是为了验证聚变发电的可行性并证明其无负面影响。
关键材料介绍
ITER装置实验堆主要结构
ITER超导体材料
ITER磁体系统由18个纵场线圈、6个中心螺管线圈、6个极向场线圈以及18个校正场线圈组成。
ITER 极向线场和校正场超导圈
超导导体是用于绕制ITER超导线圈的重要材料，根据不同线圈的作用和要求，ITER总共有不同规格的超导导体。中心螺管和纵场线圈采用（铌三锡）Nb3Sn超导材料，极向场和校正场线圈采用铌钛（NbTi）超导材料。
聚变超导材料的关键特性可以简化为以下几点：
-高临界温度：能够在较高温度下保持超导状态，减少冷却需求。
-高磁场承受力：能够承受强磁场，对核聚变反应堆至关重要。
高电流承载能力：允许通过较大电流，以产生强大磁场。
-良好的机械和化学稳定性：在制造和运行过程中保持结构和化学性质稳定。
-抗辐照性能：在核聚变环境中抵抗辐照引起的损伤。
-低活化性：减少放射性废物，降低长期处理成本。
包层结构材料
聚变反应堆在运行过程中产生的中子辐照强度极高，可达到14MeV。当这些高能中子流冲击材料结构时，会在材料内部造成高达200dpa的原子离位损伤，从而产生大量的空位和间隙原子。这些空位和间隙原子如果进一步扩散，将引起材料微观结构和化学组成的变化，进而可能导致辐照引起的相变、元素偏析、材料硬化以及体积膨胀等问题。鉴于这些挑战，聚变堆结构材料需要满足以下关键特性：
-中子截面小、低活化性能：材料的主要合金元素应具有较短的半衰期，以便在中子辐照后，其放射性能快速衰减。
-优异的抗辐照性能：在辐照环境下，材料的组织结构应保持稳定，辐照引起的肿胀应尽可能小，辐照引起的催化和硬化程度也应保持在较低水平。
-稳定的力学性能：材料应具有足够的韧性、塑性、强度以及在高温下的蠕变强度。
-良好的加工性能：材料的制备成本应相对低廉，便于加工和制造。
-与冷却剂的兼容性：材料应与冷却剂保持良好的兼容性。
目前，正在使用和研究的包层结构材料包括奥氏体不锈钢、低活化铁素体/马氏体钢（RAFM）、氧化物弥散强化钢（ODS）、钒合金、SiCf/SiC复合材料等。这些材料的选择和应用是根据在极限条件下对元素含量的不同要求来确定的。
图片摘自材易通
核聚变堆面向等离子体材料
在核聚变反应的极端条件下，面向等离子体的材料面临着巨大的挑战。这些材料必须承受高剂量的氢同位素和氦离子的冲击、强烈的中子辐照以及剧烈的热冲击。等离子体与材料表面的交互作用可能导致物理溅射、化学溅射、表面起泡和剥落等损伤形式。
温度的剧烈波动不仅可能引起材料状态的转变，如再结晶或熔化，还可能产生巨大的机械应力。周期性的高热负荷还可能引发疲劳载荷，增加材料脆性开裂和破损的风险。此外，高能粒子束和强中子辐照会在材料表面和内部产生大量缺陷，包括气泡、空洞和肿胀。这些因素相互作用，严重影响材料的机械性能和热传递能力。材料损伤还可能污染等离子体，影响等离子体的稳定性。
面向等离子体材料需要满足以下要求：
-低活化性、良好的等离子体兼容性、低氚滞留等基本特性。
-高熔点和高热导率。
-低物理溅射和化学溅射率。
-优异的高温性能和抗热冲击能力。
面向等离子体材料主要分为低原子序数（Z）材料和高Z材料。低Z材料包括石墨、碳纤维复合材料（CFC）、铍（Be）等，而高Z材料主要是钨及其合金。每种材料都有其独特的优缺点。
图片摘自材易通
钨因其多种优点被认为是核聚变反应堆中最有前途的面向等离子体材料之一。它已被选为ITER项目偏滤器的材料，并可能用于DEMO及未来聚变反应堆的第一壁和偏滤器。然而，钨的主要缺点是其高脆性，其韧脆转变温度（DBTT）在150~400℃之间。辐照脆性和再结晶脆性可能会进一步增加DBTT，导致在服役过程中容易发生脆性断裂。
新型结构材料
目前，氧化物弥散强化钢（ODS钢）、钒合金和碳化硅材料等在聚变堆应用中仍存在局限性。面对未来更高辐照水平的示范堆（预计在21世纪40年代）和商用原型电站（预计在21世纪50年代）的挑战，现有的ODS钢可能无法完全满足需求。因此，为了聚变能源的长期发展，研发新型先进结构材料显得尤为迫切。在这方面，复合块状非晶材料和高熵合金因其在多个方面的卓越性能，被认为是具有巨大潜力的候选材料。
非晶材料由于其独特的原子排列——长程无序而短程有序，展现出与晶体合金截然不同的物理和化学特性，并在以下方面具有明显优势：
-缺少韧脆转变温度，其动态断裂韧性随着载荷速率的增加而提高；
-原子无序排列增强了抗辐照性能，使其优于晶体合金；
-出色的耐腐蚀性能；
-类似玻璃的超塑性区间，使得非晶材料在加热后易于软化和成型，解决了加工难题。
当前，块状非晶材料主要采用铜模铸造法制备。尽管如此，非晶材料在室温下的脆性以及应变软化现象仍是其在结构材料应用中需要克服的劣势。高熵合金以其多主元特性，展现出显著的晶格畸变、高混合熵和高温相稳定性。通过精心设计的合金成分，可以获得具备优良高温蠕变性能、抗腐蚀、抗氧化和高强度的材料，这些特性使其非常适合作为高温结构材料。例如，2014年《Science》杂志报道的FeCoNiCrMn高熵合金，在低温至液氮温度下仍保持优异的断裂韧性。美国橡树岭国家实验室的Kiran Kumar等人的研究进一步证实，高熵合金的优良力学性能和抗腐蚀性能使其成为裂变堆和聚变堆结构材料的有力候选者。
高熵合金作为传统合金领域的创新突破，已经激发了全球科研人员的研究热情。基于以往的研究成果，未来聚变堆结构材料领域的研究方向可以概述如下：
-针对高熵合金普遍存在的脆性问题，未来的研究将致力于在保持材料强度的同时提高其韧性。
-目前对高熵合金的断裂韧性已有较多研究，但对其冲击韧性的研究相对较少，这将是未来的研究重点之一。
-鉴于高熵合金研究的长期性和高成本，目前主要依赖热力学建模进行模拟，包括第一性原理计算、分子动力学模拟和蒙特卡洛模拟等方法。未来需要在理论模拟方面取得新的突破，为实验和研究方向提供更坚实的理论基础。
-为了更深入地开展研究，未来希望能够完善各种高熵合金体系的相图，以指导合金设计和材料开发。
随着国际热核聚变实验堆（ITER）项目的不断进展和新型结构材料的持续研发，人类在实现清洁、可持续的核聚变能源利用上迈出了坚实的步伐。未来，这些前沿材料和技术的突破将不仅推动聚变能源的发展，也将为全球能源结构的转型和环境的可持续性做出重要贡献。
参考链接：
- https://mp.weixin.qq.com/s/zUUEPiinjjZRrWufK6M02A
- http://www.ipp.ac.cn/kxcb/sqdcd/201310/t20131031_131718.html