随着全球对可持续能源的需求日益增长，核聚变作为一种清洁、几乎无限的能源形式，吸引了全世界科学家的关注。然而，实现核聚变能的关键在于一系列能够在极端条件下稳定工作的高性能材料，尤其是核聚变反应堆的包层结构材料。
包层不仅负责将聚变产生的能量转换为可用的电能，还要实现氚的自持和提供必要的辐照屏蔽。尽管低活化铁素体马氏体钢（RAFM钢）作为包层材料已取得了显著进展，但在面对更高水平的中子辐照时，现有材料的性能仍显不足。为了克服这些挑战，研究人员探索了添加氧化物弥散相来提高材料的高温蠕变强度，以及开发了机械合金化和非机械合金化方法来制备氧化物弥散强化钢（ODS钢）。此外，钒合金和碳化硅复合材料也因其独特的优势而成为研究的焦点，尽管它们目前还面临一些技术和应用上的障碍。展望未来，新型材料如复合块状非晶材料和低活化高熵合金，有望为满足下一代核聚变堆的严苛要求提供解决方案。
低活化铁素体马氏体钢 (RAFM钢)
低活化铁素体马氏体钢（RAFM钢）自从20世纪80年代就开始由美国、欧洲和日本等国家的研发团队进行开发，目的是为聚变堆寻找合适的结构材料。这些团队改进了传统的耐热钢，例如HT9和9Cr1Mo钢，用W、V、Ti、Ta等低活化元素取代了Mo和Nb等高活化元素，以满足聚变堆的低活化特性。RAFM钢相比奥氏体不锈钢如316L，展现出了更低的辐照活性、更高的热导率和更低的热膨胀系数，以及更优越的抗肿胀性能。各国已经开发了多种RAFM钢，如日本的F82H、JLF-1，欧洲的EUROFER97和美国的9Cr2WVTa，这些钢种在强度和抗辐照性能上都有显著提升。中国自2006年起也开始了RAFM钢的开发，CLF-1钢的研发成功，标志着中国在这一领域的进步。
然而，RAFM钢在550℃以上的应用受到辐照诱导硬化和脆化的限制，且存在长期热时效问题和低蠕变强度。此外，焊接相关的问题，如焊前热处理难度和辐照可能导致的热影响区性能下降，也是RAFM钢面临的挑战。ITER中的包层结构材料主要采用RAFM钢，但异形件加工和钨与低活化钢的连接仍是技术难点。面向未来，CFETR和DEMO堆对RAFM钢的杂质控制提出了更高要求，原材料的纯化和制造过程的清洁将是重要问题。
氧化物弥散强化钢 (ODS钢)
氧化物弥散强化钢（ODS钢）自1987年起在日本先进快堆包壳材料研究中得到发展，主要采用机械合金化作为其制备手段。ODS钢内部的纳米级氧化物颗粒和细小晶粒有效提升了高温蠕变强度，同时保持了良好的韧性和延展性，并具有较低的韧脆转变温度。ODS钢还具有优异的抗中子辐照肿胀性能，并对氢脆和氦脆具有抗性。研究主要集中在约9% Cr的马氏体基体钢和12%~16% Cr的铁素体基体钢两种成分体系。尽管铁素体钢在辐照下会产生辐照诱导的析出物，但仍然是适用于高服役温度的反应堆结构材料的候选者。ODS钢的抗辐照性能优于RAFM钢，这是因为其内部的大量界面和纳米氧化物颗粒能够捕获辐照过程中产生的点缺陷和氦原子。
ODS钢的制备工艺包括气雾化预合金粉末与Y2O3粉末的机械合金化，随后通过热等静压烧结和热处理来优化组织。但机械合金化生产中存在的高成本、低效率等问题限制了其发展。未来，提高机械合金化ODS钢的生产效率将是关键，同时需要与大型钢铁企业合作。尽管ODS钢在未辐照条件下展现出良好的力学性能，但仍处于商业化前的研发阶段，迫切需要实验确认纳米级析出相在热时效和辐照条件下的稳定性。
改良RAFM钢 (CNA钢)
为了弥补传统RAFM钢与ODS钢之间的性能差距，美国橡树岭国家实验室开发了可浇铸纳米结构合金（CNA）。CNA钢在化学成分上进行了优化，提高了氮含量、降低了碳含量，并增加了钒和钽的含量。通过热机械处理，如热轧和多次奥氏体化及回火，引入了更多的MX和M2X析出相，以此提高钢的力学性能和抗辐照性能。CNA钢在多个性能方面相比传统RAFM钢有显著提升，成本却与原RAFM钢相近，远低于ODS钢，同时避免了ODS钢粉末冶炼导致的大规模生产困难。
CNA钢的发展分为四个阶段，从2013至2022年，逐步从确定析出相类型和生产0.5kg量级的一代CNA钢，到收集工程实验数据并开发二代CNA钢。尽管CNA钢展现出良好的性能，但仍面临工业化生产技术缺乏、焊接性能信息不足等问题。迫切需要实验确认纳米级析出相在热时效和辐照条件下的稳定性，并进行中子辐照实验以评估其在不同温度区域的性能。欧洲也在进行类似CNA钢的研发，通过成分微调和热机械处理来提升水冷/氦冷包层设计方案的低温抗辐照性能和高温力学性能。
非机械合金化制备的ODS钢
面对机械合金化ODS钢的高成本和低效率问题，全球研究者正在探索无需机械合金化的ODS钢制造工艺。美国爱荷华州立大学提出了气雾化反应合成法，通过含氧气氛实现铁素体钢液滴表面的快速氧化，形成纳米级富Cr氧化物层，并通过热处理形成高稳定性的纳米复合氧化物。西班牙纳瓦拉大学和北京科技大学燕青芝教授的团队采用不同的方法，通过气雾化粉末表面处理和熔炼铸造工艺，成功制备了具有优异性能的ODS钢。
这些非机械合金化方法虽然在强度上可能略低于机械合金化产品，但具有更好的延展性和低温韧性。北京科技大学团队开发的ODS钢展现出了优异的高温稳定性和抗蠕变性能，在离子辐照测试中具有显著的抗肿胀和稳定性。中科院金属所也采用了类似工艺，成功引入了氧，形成了Y2O3团簇和连续分布的TiO2层。
尽管非机械合金化ODS钢的制备技术已在铜、镍合金中成功应用，但针对ODS钢，特别是氧含量的精确控制，仍是研究的难点和热点。鉴于该材料的研发尚处于早期阶段，其性能评价尚未全面，对其性能的深入研究是未来工作的重点。
钒合金
钒合金自20世纪80年代起就因其低活性、良好的中子辐照耐受性、高熔点强度以及与液态锂的高兼容性而被视为聚变堆包层结构材料的理想候选。钒合金具有优异的延展性和非铁磁性，目前主要研究的V-4Cr-4Ti系列钒合金通过添加Cr提升高温强度，Ti的加入则增强了韧性。然而，当Cr和Ti的总含量超过10%时，钒合金的韧性会降低。
钒合金面临的挑战包括不完整的热蠕变和辐照蠕变数据，由氦引起的脆性，这些都限制了其使用温度。此外，辐照还会显著影响其断裂性能，尤其是在低于400℃的辐照下会发生明显的变脆现象。钒合金的高氢同位素滞留和渗透问题也限制了其在聚变堆中的应用。由于氚的稀缺和高造价，聚变堆需要氚增殖包层来维持氚的供应，而钒合金的滞留行为尤其值得关注，因为其滞留量在经过氘注入和低剂量辐照后会显著增加。
为了解决这些问题，可能需要在钒合金表面涂上高性能的阻氚涂层，这种涂层需要在氚增殖剂、冷却剂和中子辐照下保持稳定。这无疑增加了钒合金应用的成本和复杂性。
碳化硅复合材料
除了钒合金，碳化硅复合材料(SiC/SiC)也因其优异的高温性能和辐照稳定性而被视为聚变堆结构材料的有力候选。尽管SiC/SiC复合材料在中子辐照后展现出良好的尺寸稳定性和力学性能，但在实际应用中仍需解决焊接难度、高制造成本和结构设计标准等问题。
新型结构材料
面向未来，除了现有的材料，如ODS钢、钒合金和碳化硅，还需要开发新型结构材料，如复合块状非晶材料和高熵合金，以满足更高辐照水平的聚变堆需求。非晶材料和高熵合金因其独特的性能，如优异的抗辐照性能、耐腐蚀性和高温强度，被认为是有前景的候选材料。然而，这些材料的开发和性能表征仍面临挑战，需要进一步的研究和开发。
ITER项目包层结构介绍
ITER装置中覆盖真空容器内壁的440个包层模块保护了钢结构和超导环形场磁体免受由聚变反应产生的高温和高能中子的侵害。当中子在包层中减速时，它们的动能转化为热能，并由水冷却剂收集。在聚变电厂中，这些能量将被用于发电。
每个包层模块的尺寸为1米×1.5米，重量高达4.6吨。存在超过180种设计变体（与模块在真空容器中的位置有关），但所有模块都有一个可拆卸的第一壁，直接面向等离子体并移除等离子体的热负荷，以及一个设计用于中子屏蔽的主屏蔽块。包层模块还为诊断视图系统和等离子体加热系统提供了通道。
覆盖600平方米表面积的ITER包层是ITER中最为关键和技术挑战最大的部件之一：它与偏滤器一起直接面向热等离子体。由于其独特的物理特性（低等离子体污染，低燃料保留），铍被选为覆盖第一壁的元素。其余的包层模块将由高强度铜和不锈钢制成。
ITER将是第一个使用主动冷却包层的聚变装置。注入的冷却水在4兆帕和70摄氏度的条件下设计，目的是移除高达736兆瓦的热能。
在ITER运行的后期阶段，一些包层模块将被替换为专门的模块，以测试氚增殖概念的材料。一个未来产生大量电力的聚变电厂将需要自行增殖其所有的氚。ITER将测试氚自持这一至关重要的概念。
参考链接：
- http://www.mater-rep.com/CN/10.11896/j.issn.1005-023X.2018.17.001
- https://www.iter.org/mach/blanket