聚变堆第一壁材料-罗广南

ASIPP面向等离子体材料和部件及其工程实践Plasma-FacingMaterialsandComponents̶̶̶̶̶̶ScienceandEngineering罗广南第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校武汉2014年8月18-22日中科院等离子体所聚变堆材料科学与技术研究室ASIPPOutline•磁约束核聚变能（MagneticFusionEnergy）•等离子体与壁相互作用（PWI/PMI/PSI）•面向等离子体材料和部件（PFMs/PFCs）•国际热核聚变实验堆ITER的PFMC研发经验•东方超环EAST的PFMC研发和工程实践•PFMC的中子辐照效应和未来路向2014/8/182第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPPOutline磁约束核聚变能MagneticFusionEnergy2014/8/183第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPPToday:•fossilfuelsprovide85%ofourenergyneedsBut:•resourcesarefinite•increasingCO2productionmaycauseclimatechangeMedium&LongTermOptions:•renewables(solar,wind…)•nuclearfission•fusion185019001950200020502100TheNeedforEnergy2014/8/184第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPPEinstein’sfamousequation:E=mc2Masslossof4partsin1000⇒1gramoffusionfuel~2000gallonsofoilWhatisFusion?2014/8/185第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPP•Thereactionofdeuteriumandtritiumisthe“easiest”toachieveunderlaboratoryconditions:D+T⇒α(3.5MeV)+n(14.1MeV)•Inafusionreactor,α-particlesareretainedintheplasmaandprovidetheprimarysourceofheatingTheDTFusionReaction2014/8/186第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPPFuel:abundant,world-widedistributed:•sufficientdeuteriuminseawaterformillionsofyears•tritiumisproducedfromlithium-conservativelithiumorerecoveryestimatesindicatesufficientsuppliesforthousandsofyears-sufficientlithiuminseawaterformillionsofyearsSafety:noriskofmajoraccidents:•reactorcontainsfuelforonlyafewsecondsburnWaste:nolong-termburden:•lowradio-toxicityafter100yearsWhyDTFusion?2014/8/187第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPP燃料丸强能束磁场核子电子实现聚变的途径(Threedifferentways)磁约束引力约束惯性约束2014/8/188第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPPTheTokamak:operationally,isessentiallyanelectricaltransformer⇒inducesplasmacurrentplasmacurrentproducespoloidalmagneticfieldtoroidalmagneticfieldisproducedbyexternalmagneticfieldcoilsresultisasetofnestedhelicalsurfaces⇒plasmaconfinementMagneticConfinementinaTokamak2014/8/189第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPPTemperature-Ti:1-2×108K(10-20keV)(~10×temperatureofsun’score)Density-ni:1×1020m-3(~10-6ofatmosphericparticledensity)Energyconfinementtime-τE:fewseconds(∝current×radius2)(plasmapulseduration~1000s)Fusionpoweramplification:⇒Presentdevices:Q≤1⇒ITER:Q≥10⇒“Controlledignition”:Q≥30Q=FusionPowerInputPower~niTiτEPlasmafusionperformance2014/8/1810第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPPReactorconditionsITERProgressinFusionPerformance2014/8/1811第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPP磁约束聚变堆工作原理4/5的聚变功率由中子携带进入包层，1/5的聚变功率由α粒子携带进入偏滤器2014/8/1812第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPP磁约束聚变能发展路线图EAST/HL-2聚变核科学研究设施(FNSFfortestingn+plasmaeffects)等离子体材料实验平台(PMTSfortestingplasmaonly)SUNonEarth关键问题稳态等离子体+材料科学与工程+氚自持包层IFMIF/CMIFPMTSFNSFCFETRORNLITER2014/8/1813第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPP2014/8/18等离子体与壁相互作用Plasma-WallInteractionsPlasma-MaterialsInteractionsPlasma-SurfaceInteractions14第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPPPlasmainJET(normal)2014/8/18FirstwallDivertor15第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPPPlasmainJET(ELMs)2014/8/18FirstwallDivertor16第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPPPlasma-WallInteractions(PWI)2014/8/18PWISOL刮削层Coreplasma芯部等离子体First-wall/Divertor第一壁/偏滤器PFM面对等离子体材料LCFSX-pointDivertorFWSOLSOLCoreLCFS17第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPP磁约束核聚变PWI特点2014/8/18各种瞬态条件及W材料的退化稳态条件下各区域等离子体参数18第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPPBasicprocessesinPWI2014/8/18SOLPFMParticle+thermalflows(+Neutrons!)19第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPPBlisteringatW(Heffect)2014/8/1820第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPPFuzzonW(Heeffect)2014/8/1821第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPPHighheatfluxes(thermaleffect)2014/8/1822第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPPSimulatedELMsatWsurface2014/8/1823第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPP面向等离子体材料和部件Plasma-FacingMaterials(PFMs)Plasma-FacingComponents(PFCs)2014/8/1824第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPPPFMC的定义2014/8/18PFM直接面对托卡马克等离子体的表面材料，主要包括偏滤器和第一壁，以及更广义的，如等离子体加热天线和诊断用第一镜的面向等离子体表面PFCPFM+热沉+冷却结构+支撑结构EAST第一壁≤1MW/m2上偏滤器≤10MW/m2等离子体下偏滤器≤10MW/m2PFMtiles热沉支撑真空室壁25第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPP工况、作用和要求PFMC的工况10MW/m2左右稳态热流以及各种高强瞬态热流冲击，及时有效移除热量高通量D/T/He和杂质离/粒子以及中子和逃逸电子的轰击电磁辐射和感生电磁力等复杂作用，结构安全性PFMC的作用承接高热/粒子流轰击，保护真空室壁/各种诊断免受等离子体轰击，对稳态运行和装置安全起到重要的作用应满足哪些要求？与等离子体相容性好：PFM杂质离子对芯部等离子体影响小耐粒子辐照：物理/化学溅射率低、不起泡等杂质/灰尘产额低、共堆积少低滞留/再循环：对反应气体氘和氚低的吸放气性稳态运行的维持低放射活性：反应截面小、不产生长寿命放射性物质热力学性能好：高熔点、高导热、高温强度高、抗高温蠕变、抗热震与热沉材料的连接性能好：技术储备、工艺路线、批量生产、达到性能2014/8/1826第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPPPFM的选择2014/8/1827第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPPWorldActivitiesonW-PFMC(non-EAST)2014/8/18C-ModJT-60U28第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPPPFC原理和进化2014/8/1829第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPPPFC原理和进化2014/8/1830第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPP2014/8/18PFC原理和进化31第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPP2014/8/18PFC原理和进化32第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPP2014/8/18PFC原理和进化33第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPP2014/8/18DefectinthejointPFC原理和进化34第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPP2014/8/18Othertransients,e.g.Disruptions(10-30MJ/m2,0.1-3ms,10%),andVDEs(60MJ/m2,100-300ms,1%)meltingand/ordropletsformationfortungstenPFC失效模式（冷却和表面）35第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPPITER的PFMC研发R&DofPFMCforITER2014/8/1836第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPPITERisaLargeSuperconductingTokamak2014/8/1837第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPPDivertordesign2014/8/18冷却水流向连接设计结构设计和采购包38第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校ASIPPPFCdesignandtechnologies2014/8/18NDTs–US&IRtransient靶板-穿管型穹顶-平板型CFCorWCFCorWCuCrZrtubeCuinterlayerTungstenCuinterlayerCuCrZrCucastingBrazingHIP’ingBrazingEBweldingAMC(CFC)Brazing(CFC)CastingHIP’ingBrazingHotRadialPressing穿管型结构和工艺平板型结构和工艺39第一届核能材料辐照损伤全国暑期学校AS