偏濾器作為受控核聚變裝置的核心組件，其面向等離子體材料必須耐受高溫等離子體產(chǎn)生的強(qiáng)熱流、粒子流和中子輻照的復(fù)合效應(yīng)。這些效應(yīng)可能引起材料損傷和雜質(zhì)生成，導(dǎo)致等離子體的能量損失和約束效率下降，同時(shí)，滯留在面向等離子體第一壁面上的燃料粒子再循環(huán)也直接影響等離子體密度的控制。本文綜述了偏濾器面向等離子體材料在聚變堆高熱負(fù)荷、等離子體輻照以及中子輻照等服役條件下的損傷失效行為，介紹了碳基材料、鈹金屬和鎢基材料等面向等離子體主要候選材料，綜述了合金化、復(fù)合化和彌散強(qiáng)化等鎢基材料強(qiáng)韌化策略，展望了未來(lái)的研究方向。
01、研究背景
受控核聚變能是最具潛力的清潔能源之一，有望從根本上解決人類社會(huì)發(fā)展所面臨的能源短缺問(wèn)題。作為目前核聚變研究的主流方向，托卡馬克裝置，如日本的JT-60SA、歐洲地區(qū)的JET以及中國(guó)的EAST、HL-2M和J-TEXT等已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展。這些裝置不僅在等離子體物理理論探索和技術(shù)驗(yàn)證方面取得了顯著進(jìn)展，還為克服受控核聚變裝置的技術(shù)挑戰(zhàn)提供了大量經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。
為推動(dòng)受控核聚變能源商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程，國(guó)際上關(guān)于聚變能的研發(fā)開(kāi)展了深度合作，國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃就此啟動(dòng)，其主要目標(biāo)為驗(yàn)證氘氚等離子體自持燃燒的科學(xué)與工程可行性。此外，為了早日建成商業(yè)電站以實(shí)現(xiàn)能量?jī)粼鲆?，多個(gè)國(guó)家已陸續(xù)啟動(dòng)示范堆（DEMO）的研發(fā)與建設(shè)工作，已知示范堆包括歐洲地區(qū)的EU-DEMO、日本的JA-DEMO、SilmCS、美國(guó)的ARIES-AT以及中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）。
偏濾器是托卡馬克裝置的關(guān)鍵部件，主要用于排出聚變裝置中的雜質(zhì)粒子、氦灰，并移除高溫等離子體產(chǎn)生的熱能。偏濾器的服役條件非?？量蹋粋?cè)是高溫等離子體，另一側(cè)是與冷卻介質(zhì)相連的面向等離子體材料（PFMs），如何在裝置運(yùn)行過(guò)程中避免器壁嚴(yán)重?fù)p傷及雜質(zhì)污染等離子體，同時(shí)有效排出反應(yīng)產(chǎn)物氦灰是受控核聚變技術(shù)發(fā)展中的挑戰(zhàn)之一。
從早期的小型托卡馬克裝置，到當(dāng)前的ITER，乃至未來(lái)歐洲地區(qū)的EU-DEMO和中國(guó)的CFETR實(shí)驗(yàn)堆，其服役條件越來(lái)越復(fù)雜和苛刻，偏濾器的設(shè)計(jì)與材料要求也越來(lái)越高。偏濾器部件需在熱載荷、等離子體及中子輻照的物理協(xié)同作用下保持可靠運(yùn)行，這不僅依賴于先進(jìn)的物理設(shè)計(jì)，也極大程度上取決于材料的選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了給廣大科研人員提供參考，作者綜述了偏濾器面向等離子體材料在服役條件下的損傷失效行為，總結(jié)了偏濾器等離子體材料的選擇與設(shè)計(jì)，并展望了未來(lái)的研究方向。
02、研究亮點(diǎn)
1 物理作用下偏濾器PFMs的失效行為
本章節(jié)重點(diǎn)介紹了核聚變裝置偏濾器面向等離子體材料（PFMs）在物理作用下的失效行為。偏濾器處于多場(chǎng)耦合環(huán)境，承受極高的熱負(fù)荷、等離子體輻照和中子輻照等載荷。熱負(fù)荷包括準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)高溫?zé)嶝?fù)荷和瞬態(tài)熱負(fù)荷（如邊界局域模ELMs），兩者耦合會(huì)引發(fā)PFMs塑性變形、開(kāi)裂和局部熔化。等離子體輻照主要研究氫、氦等離子體與PFMs表面的相互作用，包括氫-氦協(xié)同效應(yīng)、表面起泡和氣體滯留等問(wèn)題。中子輻照則導(dǎo)致材料離位損傷和元素嬗變，影響材料導(dǎo)熱性能并加劇氫同位素滯留。目前研究多通過(guò)模擬和試驗(yàn)分析單一服役條件，但實(shí)際聚變堆中多種負(fù)荷的協(xié)同作用將顯著縮短PFMs壽命，對(duì)材料選擇和冷卻系統(tǒng)提出更高要求。
2 偏濾器PFMs的選擇與設(shè)計(jì)
本章節(jié)重點(diǎn)介紹了偏濾器面向等離子體材料（PFMs）的選擇與設(shè)計(jì)。偏濾器在苛刻環(huán)境中服役，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇至關(guān)重要。偏濾器組件主要包括內(nèi)外靶板、支撐系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，已發(fā)展出多種設(shè)計(jì)方案，如ITER采用的盒式組件結(jié)構(gòu)。
針對(duì)CFETR，提出了類ITER、雪花和超級(jí)X三種幾何構(gòu)型。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上主要有板瓦式、刷式和整體式三種，整體式結(jié)構(gòu)因高強(qiáng)度、高傳熱效率和可靠性成為高熱負(fù)荷區(qū)域的主流選擇。PFMs的選擇需考慮高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、良好的高溫強(qiáng)度、合適的熱膨脹系數(shù)、低氫同位素滯留和抗中子輻照能力。
目前主要材料分為低原子序數(shù)材料（如碳基材料和鈹）和高原子序數(shù)材料（如鉬和鎢）。碳基材料曾廣泛應(yīng)用，但因抗濺射性能弱、化學(xué)腐蝕速率高和氚滯留問(wèn)題，不再作為ITER候選材料。鈹具有低氚滯留等優(yōu)勢(shì)，但熔點(diǎn)低、蒸氣壓高、有生物毒性，且在中子輻照下易腫脹，限制了其應(yīng)用。
鎢因其高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、低蒸氣壓、低氚滯留和優(yōu)異抗等離子體侵蝕能力，成為最有前景的PFMs。然而，鎢存在脆性問(wèn)題（低溫脆性、再結(jié)晶脆性和輻照脆性），限制了其工程應(yīng)用。為改善鎢的性能，主要通過(guò)合金化（如添加錸、鋯、釩）、復(fù)合化（如鎢纖維增強(qiáng)鎢基復(fù)合材料）和彌散強(qiáng)化（如引入納米氧化物或碳化物）進(jìn)行改性。這些方法能提高鎢的韌性、抗熱沖擊和抗輻照性能，但仍面臨熱導(dǎo)率降低、成本增加、界面穩(wěn)定性不足等挑戰(zhàn)。
目前，完全滿足聚變堆偏濾器要求的鎢基PFMs尚未獲得，現(xiàn)有材料在力學(xué)性能、抗熱震性和抗輻照性能等方面仍需進(jìn)一步提升，且多數(shù)性能評(píng)估基于簡(jiǎn)化試驗(yàn)條件，難以真實(shí)反映聚變反應(yīng)堆環(huán)境。
03、結(jié)束語(yǔ)
未來(lái)聚變裝置中的偏濾器面臨著更高熱負(fù)荷、更強(qiáng)等離子體輻照和更強(qiáng)中子輻照等多重極端環(huán)境協(xié)同作用的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，現(xiàn)有材料難以滿足未來(lái)更大功率托卡馬克對(duì)偏濾器PFMs的要求。鈹和鉬等材料目前已經(jīng)不用作偏濾器PFMs，鎢基材料被認(rèn)為是未來(lái)托卡馬克中最有希望的PFMs。但鎢基材料的缺點(diǎn)為存在高原子序數(shù)雜質(zhì)輻射、低溫脆性、再結(jié)晶脆性和中子輻射脆化等，因此有必要深入探究鎢基PFMs的強(qiáng)化與韌化機(jī)制。
目前鎢基PFMs的強(qiáng)化手段主要有合金化、復(fù)合化及第二相顆粒彌散強(qiáng)化等，各種強(qiáng)化或者韌化策略都需要充分考慮未來(lái)聚變堆中真實(shí)的多負(fù)載協(xié)同效應(yīng)下的損傷機(jī)理。在設(shè)計(jì)和制備滿足未來(lái)大尺寸聚變裝置中偏濾器的鎢基PFMs時(shí)，可以從以下幾個(gè)方面展開(kāi)探索：
（1）系統(tǒng)優(yōu)化晶粒尺寸、第二相顆粒的含量與分布以及界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制備高性能鎢基材料。同時(shí)，發(fā)展高效、低成本的制備工藝，在相對(duì)溫和的條件下實(shí)現(xiàn)高性能鎢基材料的制備。
（2）明確第二相種類和成分配比對(duì)力學(xué)性能、抗熱震性和抗等離子體輻照性能的影響規(guī)律，建立顯微組織與宏觀性能之間的關(guān)系。
（3）重點(diǎn)評(píng)估所添加第二相或合金元素在高熱流與強(qiáng)輻照環(huán)境下的穩(wěn)定性，避免因引入新組元導(dǎo)致諸如碳引起的氘滯留等衍生問(wèn)題。
（4）在高性能PFMs的研發(fā)與評(píng)價(jià)中，應(yīng)充分考慮熱−力−輻照協(xié)同載荷下的損傷機(jī)理，結(jié)合模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證，深入揭示其損傷起源與演變機(jī)制。
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
