本技术提供了一种适用于磁约束聚变堆的平板型偏滤器模块及其制备方法,旨在解决现有偏滤器在聚变堆高热流密度和高能中子辐照环境下难以保持性能稳定和结构完整以及散热效率不足的问题。该模块包括复合式热沉和固定在其表面的钨铜复合件,复合式热沉由铜合金层、结构材料层和盖板组成,铜合金层与结构材料层间设有冷却流道,盖板上设有进出水管连接冷却流道,实现高效热交换。钨铜复合件由面向等离子体材料纯钨(5mm)和无氧铜中间层组成,铜合金层为氧化铝弥散强化铜材料(ODS_Cu),结构材料层和盖板采用低活化铁素体/马氏体钢(CLF‑1)。制备方法采用爆炸焊接、真空热压扩散焊和真空钎焊工艺等,实现不同材料的可靠连接,确保模块在高热流密度和中子辐照条件下的散热能力和结构完整性。本发明具有优异的耐高温和抗辐照性能,适用于聚变堆偏滤器高热负荷区域的长寿命使用。
背景技术
磁约束核聚变托卡马克装置被认为是最有希望实现受控核聚变的磁约束核聚变装置。未来托卡马克聚变堆的重要科学目标是实现高参数高性能等离子体的稳态运行,在此运行模式下,高粒子通量、高热负荷、高能中子辐照以及强烈的热应力、电磁力等共同作用将对偏滤器的性能和结构产生较大影响,因此要求偏滤器必须具有高效传热和保持机械结构完整性的能力。其中,最严重的是中子辐照和高热负荷带来的影响。目前的偏滤器结构和制备工艺都无法满足聚变堆的使用需求。由于磁场位形的差异以及等离子体传输特性的影响,偏滤器上沉积的热负荷呈现出不均匀的分布状态。高热负荷区域需承受高达20MW/m2
的热负荷,这会使面向等离子体的材料表面温度升高,易产生裂纹和烧蚀等损伤。为了迅速有效地移出偏滤器表面沉积的热负荷,必须采用高效的热交换结构和制备工艺,以降低偏滤器表面的温度,保证结构的可靠性,有效延长偏滤器的使用寿命。
中国专利申请公布号CN114038581A介绍了一种适用于磁约束核聚变装置的平板型偏滤器靶板及其加工方法。该发明面向等离子体材料钨的厚度为2mm,且采用铬锆铜(CuCrZr)金属板和316L钢板作为热沉,制备的偏滤器靶板能够用于目前核聚变装置的高热负荷区域中。然而,在聚变堆环境下,聚变反应将会产生14MeV高能中子,这将使上述材料产生严重的损伤,导致材料性能急剧下降。因此为了满足聚变堆特殊的使用要求,必须采用高性能的抗辐照的偏滤器材料。同时,由于面向等离子体材料钨在运行过程中会受到溅射侵蚀,这将会导致钨材料减薄,寿命降低,因此2mm的钨存在刻蚀寿命较低的缺点。
因此,迫切需要开发一种新型偏滤器靶板,专为聚变堆偏滤器高热负荷区域设计,旨在保证材料性能和实现高效散热的同时,确保机械结构的完整性和稳定性,从而延长其使用寿命。
实现思路