偏滤器在磁约束核聚变系统中扮演着至关重要的角色，它直接面对强烈的粒子流和高温热流的冲击，因此其工作环境极为严酷。为确保聚变反应堆的稳定运行，开发出能够适应偏滤器恶劣工况的热沉材料至关重要。过去三十年的核聚变研究与工程实践表明，铜合金因其出色的热导率、较高的强度、良好的热稳定性和抗中子辐照能力，被视为聚变堆偏滤器热沉材料的首选，甚至可能是水冷偏滤器热沉材料的唯一选择。
聚变堆中热沉材料的服役工况及性能要求
在聚变反应堆中，偏滤器（PFCs）面临极其恶劣的工作环境，它们不仅要承受极高的热负荷，还要抵御高达14 MeV的中子辐照带来的损伤。例如，与国际热核聚变实验堆（ITER）相比，未来的托卡马克装置，如中国的聚变工程试验堆（CFETR）和示范性聚变核电厂（DEMO），其PFCs所面临的热负荷更为严峻（例如，CFETR偏滤器靶板的峰值热负荷预计会超过20 MW/m²），并且需要在更长的稳态运行时间内承受这种负荷（如EU DEMO计划持续2小时）。
同时，PFCs还需承受大量的中子辐照损伤。据预测，EU DEMO偏滤器PFCs中的钨装甲将遭受约3.4 dpa/fpy的中子辐照损伤，而铜热沉材料的损伤速率则高达10 dpa/fpy。这表明，构成PFCs的不同材料在相同剂量的中子辐照下，损伤速率存在明显差异，其中铜合金的损伤速率尤为显著。
此外，偏滤器的不同区域PFCs所承受的高热负荷和中子辐照剂量也不尽相同。通过计算发现，尽管偏滤器靶板区域的PFCs承受着最大的高热负荷，但与其他区域相比，它们受到的辐照损伤相对较小。
EU DEMO偏滤器示意图和靶板区PFC模块截面示意图
普遍认为，要满足聚变堆偏滤器在极端服役环境下的运行需求，热沉材料必须具备以下基本特性：首先，材料应具有出色的热导率；其次，在高温条件下，应展现出较高的强度和良好的断裂韧性等力学性能；第三，材料应具备优异的抗中子辐照能力；第四，需要具备长期稳定的热稳定性；第五，应具有较强的耐腐蚀性，以防止均匀腐蚀和局部腐蚀，如晶间腐蚀或气蚀；最后，材料中的氚溶解度应尽可能低。
然而，现有的材料要同时满足这些严格的性能要求是非常具有挑战性的。在聚变领域的研究中，一个普遍的共识是，在热沉材料的选择上，优先考虑材料的高热导率。如图所示，热导率超过50 W/(m·K)的元素种类被以降序排列，其中元素格内的数值代表了各自的热导率。如果元素格背景为深灰色，则表示该元素不满足热沉材料的某些要求，具体要求详见图3右下角的说明，并且与元素格上方的问题标号相对应。通过分析可以发现，仅有铜（Cu）和铁（Fe）两种材料能够满足水冷偏滤器热沉材料的性能要求。
尽管纯铁（Fe）的热导率相对较高，但在聚变堆中，铁通常以低活化铁素体/马氏体钢（Reduced Activation Ferritic/Martensitic steel, RAFM steel）的形式作为基体材料使用，而这类钢的热导率通常较低。例如，Eurofer97在室温下的热导率大约为28 W/(m·K)[21]，F82H的热导率大约为31.3 W/(m·K)[22]，这些值远低于作为热沉材料所需的标准。
钨（W）作为一种备选材料，由于其韧脆转变温度较高（轧制纯钨的韧脆转变温度范围为180至300℃[23]），在低于此温度的条件下使用时存在脆性失效的风险。为了避免这种情况，需要在高于其韧脆转变温度的环境中使用钨材料。然而，随着冷却剂温度的升高，不仅会加速水对材料的腐蚀[24]，而且会显著降低材料的热输运能力，这可能导致材料无法承受所需的高热负荷。
考虑到需要为临界热流（Critical Heat Flux, CHF）保留足够的安全裕度，以防止偏滤器组件（PFCs）在慢瞬态事件中发生体沸腾和烧毁事故，冷却剂的温度应控制在160℃以下[25]。因此，铁和钨均不适合作为热沉材料。
综合考虑上述因素，从热导率的角度来看，铜合金似乎是最合适的热沉材料选择。铜合金不仅具有高热导率，而且在高温下展现出良好的力学性能和抗腐蚀性能，使其成为水冷偏滤器热沉材料的理想候选材料，甚至可能是目前唯一的可行选择。
铜合金及铜基复合材料
铜合金在聚变堆偏滤器的热沉材料领域中占据着极其重要的地位，其高热导率、强度、热稳定性以及抗中子辐照性能使其成为首选材料。经过多年的研究和工程实践，铜合金的这些特性已被广泛认可。本文将现有热沉材料分为三大类：沉淀硬化铜合金、弥散强化铜合金和铜基复合材料，以便于更系统地阐述其特性和应用。
沉淀硬化铜合金（PH铜合金）通过特定的热处理工艺，如固溶处理和时效处理，实现合金元素的过饱和和沉淀相的细小析出，从而显著提高材料的强度和抗辐照能力。例如，CuCrZr合金在ITER项目中的应用，就体现了其在现代托卡马克装置中的重要作用。然而，PH铜合金的性能对温度敏感，高温加工过程可能导致性能下降。尽管可以通过后续处理部分恢复性能，但与传统制造工艺的兼容性问题仍是一个挑战。
弥散强化铜合金（DS铜合金）通过粉末冶金技术，将纳米级第二相颗粒均匀分散在铜基体中，从而提升材料的高温稳定性和抗辐照性能。DS铜合金的第二相颗粒，如Al2O3，不仅提供了优异的高温性能，还有助于改善材料的力学性能。商用DS铜合金如GlidCop Al25，已被纳入ITER的材料手册，显示了其在未来聚变堆中的应用潜力。但是，随着温度的升高，Cu-Al2O3合金的均匀延伸率和断裂韧性可能会降低，表现出高温脆性，这是由于Al2O3颗粒在制备过程中的粗化和Cu2O的形成所导致的。
铜基复合材料通过在铜基体中加入耐高温的增强体，如SiC纤维或W纤维，旨在提高材料的高温强度和热导性。尽管这些复合材料在高温下展现出较高的强度，但由于增强体的低韧性和热导率，其整体的延伸率和热导率相对较低。此外，在高热负荷测试中，Cu基体与增强体界面处的裂纹问题也影响了材料的抗蠕变性能。因此，铜基复合材料的研究目前主要集中在作为过渡材料的应用上，以解决与热沉材料的兼容性问题。
针对中国聚变工程试验堆（CFETR）的热沉材料挑战，需要采取一系列应对策略，以确保材料能够在聚变堆的高温和辐照环境下稳定运行。
开发新型铜基材料
材料科学在开发适用于更广泛操作温度范围的铜基材料方面发挥着关键作用。为了满足聚变堆400~500℃的运行环境，必须设计出具备高性能的新型铜合金或铜基复合材料。提高铜基材料的高温性能和抗中子辐照性能的策略包括：
- 在铜基体中引入高熔点的沉淀物或强化相，例如通过添加特定元素形成Laves相或双峰沉淀结构。
- 加入有益元素细化并均匀分布弥散强化相。
- 结合高熔点材料形成复合材料。
现有研究已经证实了这些方法的可行性。例如，新型沉淀硬化铜合金CuCrZrFeTiY通过添加多种元素，实现了沉淀物的双峰分布，显著提升了合金的强度和热稳定性。而弥散强化铜合金Cu-0.42%Y2O3通过机械合金化和研磨，实现了超细晶粒尺寸和高硬度。此外，铜基复合材料Wf/Cu因其高导热率和高强度，展现出作为热沉材料的潜力。
设计新型PFC结构
传统的PFC结构，如ITER使用的mono-block结构，可能无法直接满足CFETR/DEMO偏滤器的需求，因为CuCrZr在高温下的性能限制。因此，需要创新的工程设计来解决材料性能与结构需求之间的矛盾。这包括：
- 优化现有铜合金性能，改善热沉材料的服役环境，提高其服役寿命。
- 设计“thermal break”结构，调节W/Cu模块的应力和温度分布，降低材料间的应力不匹配。
- 使用梯度层调节应力分布，减少CuCrZr受到的应力。
通过这些结构设计的创新，可以在不牺牲材料性能的前提下，提高PFCs的热疲劳寿命，确保CFETR偏滤器的可靠性和稳定性。
参考链接：
- https://www.ams.org.cn/article/2021/0412-1961/0412-1961-2021-57-7-831.shtml