一种耐碱腐蚀的氚增殖包层复合材料的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种应用于以氘氧化锂溶液作为氚增殖剂的氚增殖包层的复合结构材料，用于该氚增殖包层中氘氧化锂溶液对低活化马氏体钢的腐蚀问题。该材料为金属钛层和低活化马氏体钢层组合而成双层复合结构材料，具有强抗碱腐蚀能力的金属钛层与氘氧化锂溶液接触，从而避免了氘氧化锂溶液对低活性马氏体钢的腐蚀。
【专利说明】一种耐碱腐蚀的氚增殖包层复合材料
【技术领域】
[0001]本发明属于聚变氚增殖包层【技术领域】，具体涉及一种应用于以氘氧化锂溶液作为氚增殖剂的氚增殖包层的复合结构材料，用于该氚增殖包层中氘氧化锂溶液对低活化马氏体钢的腐蚀问题。
【背景技术】
[0002]根据目前的磁约束等离子体聚变控制技术发展趋势，国际热核聚变实验堆(ITER)后的磁约束聚变示范堆将主要采用氘氚作为基本燃料。氘在自然界中的含量较为丰富，但氚在自然界中含量极为稀少(大气中总量不足I公斤)，必须通过聚变堆的氚增殖包层实现氚自持(既一个氚参与聚变反应产生一个中子，该中子被增殖包层中的锂吸收又产生一个氚继续参与聚变反应)。一般采用包层产氚率(TBR)来反映氚增殖包层概念设计是否能满足聚变堆氚自持的需要。一般来说氚增殖包层的TBR应该大于1，考虑到氚在循环过程中的损失以及为下一个聚变堆装置提供足够的启动氚以尽快实现聚变堆的规模倍增，一些学者认为ITER后的聚变示范堆的TBR应该大于1.15。这对聚变堆氚增殖包层的概念设计而言是一个很严峻的挑战。
[0003]国际上曾经就如何实现聚变堆的氚自持提出过多种氚增殖包层概念，经过长期的研究比较，目前主要有两大类概念，一类围绕固态氚增殖剂，采用氦冷或水冷的方式，以低活性铁素体/马氏体(以下简称RAFM)钢为结构材料的固态氚增殖包层概念，而另一类则是围绕液态锂铅增殖剂，采用单冷或双冷的方式，以RAFM钢为结构材料的液态氚增殖包层概念。而中国选择了固态氚增殖剂/氦冷/RAFM钢氚增殖包层概念(HCCB)和液态锂铅增殖剂/双功能/RAFM钢氚增殖包层概念(DFLL)加以研究发展。
[0004]其中，氦冷固态增殖剂(HCCB)包层概念设计采用2X6的模块化设计，模块尺寸按1/2垂直实验窗口布置；氚增殖剂采用Li4Si04的锂陶瓷小球，中子倍增剂采用铍金属微球，均为球床结构；结构材料采用低活化RAFM钢；8MPa压力、进出口温度分别为300°C和500°C的氦气作为冷却剂。双功能液态锂铅(DFLL)包层概念设计也按照1/2垂直实验窗口布置，采用低活化RAFM钢作为结构材料，采用氦气冷却结构部件；单冷模式时，液态锂铅仅作为增殖剂而不作为冷却剂，锂铅流动速度慢(〈lmm/s)，出口温度较低(?400°C);双冷模式时，液态锂铅不仅作为增殖剂而且作为冷却剂携带核热，锂铅流动速度快(?10mm/s),出口温度较高(700°C)。
[0005]与液态锂铅氚增殖包层概念相比，固态氚增殖包层概念比较安全可靠，没有液态锂铅在磁约束聚变装置的强磁场下流动带来磁流学问题。但缺点也很突出，就是在今后的聚变示范堆中如何实现在线换料问题。国外一些专家提出了利用固态氚增殖包层球床自身特有的类似液体的流动性，用载气吹动小球，让固态氚增殖剂也“流动”起来，从而实现换料。但对目前中国的氦冷固态增殖剂(HCCB)包层概念设计而言，这种换料方式实现起来比较困难，主要是由于中国的HCCB包层概念设计采用了子模块的概念，相比欧洲和日本的固态氚增殖包层模块，内部结构要复杂得多，导致提氚载气的流动路径非常曲折，特别是球床区和提氚载气管道之间采用了栅栏，使锂陶瓷小球的流动变得不可能。
[0006]从提氚技术角度，HCCB和DFLL两种氚增殖包层系统目前的氚提取都是采用含有氢气的氦气作为载气利用同位素的置换效应将氚从锂陶瓷小球(HCSB概念)或锂铅合金(DFLL)带出，由于氚在锂陶瓷和锂铅合金都有一定的溶解度，因此这两种包层概念都会存在氚的滞留问题，因此需要高温的载气(600度以上)以增强氚的析出。而由载气带出的氚根据目前两个概念的提氚系统设计需要通过低温(达到液氮温度)选择性吸附实现氦与氢同位素，分离后的氦再重新加热到500度以上送回氚增殖区作为载气去提氚，从今后聚变示范堆的角度，这样的提氚路线是很不经济的。
[0007]针对现有的固态和液态两种聚变包层氚增殖解决方案存在的问题，我们提出了一种基于氘氧化锂重水溶液的新的聚变包层氚增殖解决方案，该方案采用流动介质同时作为氚增殖剂和冷却剂，简化了包层结构，易于包层本体的加工；相比传统的固态包层系统，氚增殖剂具有流动性，容易实现在线换料；相比传统的液态包层系统，规避了液态金属流动带来的磁流学问题，液态金属对结构材料的腐蚀问题，提高了包层系统的安全性；该方案涉及的一回路和重水提氚技术已在重水堆中规模化应用，技术成熟可靠。
[0008]但是该方案与目前主流的聚变堆包层结构材料——低活化马氏体钢的兼容性并不好，主要是氘氧化锂重水溶液是浓度很高的碱溶液，而马氏体钢抗碱腐蚀能力比较差，这样会大幅降低包层使用寿命，因此，我们设计了一种新的复合材料来解决这一问题。
【发明内容】
[0009]本发明属于聚变氚增殖包层【技术领域】，具体涉及一种应用于以氘氧化锂溶液作为氚增殖剂的氚增殖包层的复合结构材料，用于该氚增殖包层中氘氧化锂溶液对低活化马氏体钢的腐蚀问题。
[0010]为实现上述目的，本发明设计了一种复合材料，该材料包括以下特征:
[0011](—)该复合结构材料为双层结构，一层为金属钛，厚度为1.0mm至2.0mm ;—层为低活性铁素体/马氏体钢；材料复合方式以爆炸复合加轧制工艺实现。
[0012](二)该HBlOl复合结构材料中所提到的金属钛为工业纯钛，可选用TAl牌号，Ti纯度在99%以上。
[0013](三)该HBlOl复合结构材料所用低活性铁素体/马氏体钢主要由Fe、Cr、V、Mn、W、Ta等元素组成，具体成分比例为(以下均为质量百分比):Fe占86%以上，Cr在7.5-9.5%之间,V 在 0.1 - 0.3%之间，W 在 1.0 — 2.0%之间，Mn 在 0.1 — 0.6%之间，Ta 在 0.01 —
0.2%之间；
[0014](四)该HBlOl复合结构材料具有双层结构的管道部件主要用于基于氘氧化锂重水溶液的聚变堆氚增殖包层系统，该管道部件截面可为圆形或方形，管道内侧与氘氧化锂溶液接触的部分钛复合材料区，外侧与铍球床接触的部分为复合材料的低活性马氏体钢区。
[0015]其主要工作原理如下:
[0016]低活化马氏体钢主要是因为其在包层500度工况下的抗拉强度高，抗中子辐照能力强(在数十的dpa的辐照损伤下的肿胀率低)，以及在聚变中子辐照后活化程度低(不产生半衰期长的放射性元素)，并且原料成本低，因此被选为包层结构材料。但该材料的抗碱腐蚀能力差。而钛合金同样具有高温下强度高，抗中子辐照能力强(一些研究资料表明钛合金如TAl和TC4在25dpa的辐照损伤下仅有0.7%的肿胀)的优点，而且钛本身也是一种低活化元素，而且钛由于其金属表面会形成致密的氧化膜，并在碱液中有自修复功能，因此具有极强的抗碱腐蚀能力，一般钛合金在强碱溶液下腐蚀速率小于0.lmm/y，这样在低活化马氏体钢内侧形成2_的钛合金层，可以使低活化马氏体钢管在碱液环境中使用寿命超过20年。
[0017]另外理论上可以选择钛合金直接作为作为基于氘氧化锂重水溶液的氚增殖包层的结构材料，但考虑到钛合金的价格成本，我们设计了一种综合两种材料优势的复合材料，即在低活化马氏体钢管道内侧增加一层耐碱腐蚀的钛合金，从而形成一种复合结构材料，解决马氏体钢的耐碱腐蚀问题。另外，低活化马氏体钢和钛合金的热膨胀系数比较接近，也为这两种材料的复合提供了便利。
[0018]本发明的有益效果为:(1)相比完全使用低活化马氏体钢，增加了结构材料的抗碱腐蚀能力；(2)相比完全使用钛合金，降低了成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图为本发明中中截面为圆形的复合材料。
【具体实施方式】
[0020]如图所示一种耐碱腐蚀的氚增殖包层复合材料，该复合材料为双层管状结构，且内层为金属钛层1，外层为低活性铁素体/马氏体钢层2 ;两层材料以爆炸复合加轧制复合为一体。金属钛层I厚度为1.0mm至2.0_。所述管状部件截面为圆形或方形。金属钛层I为工业纯钛，Ti纯度在99%以上；所述低活性铁素体/马氏体钢层2主要由Fe、Cr、V、Mn、W、Ta元素组成，具体成分质量百分比为:Fe占86%以上，Cr在7.5 — 9.5%之间，V在0.1 一0.3%之间，W 在 1.0 — 2.0%之间，Mn 在 0.1 — 0.6%之间，Ta 在 0.01 — 0.2%之间。
【权利要求】
1.一种耐碱腐蚀的氚增殖包层复合材料，其特征是:该复合材料为双层管状结构，且内层为金属钛层(I )，外层为低活性铁素体/马氏体钢层(2);两层材料以爆炸复合加轧制复合为一体。
2.根据权利要求1所述的一种耐碱腐蚀的氚增殖包层复合材料，其特征是金属钛层(I)厚度为 1.0mm 至 2.0mm。
3.根据权利要求1所述的一种耐碱腐蚀的氚增殖包层复合材料，其特征是所述管状部件截面为圆形或方形。
4.根据权利要求1所述的一种耐碱腐蚀的氚增殖包层复合材料，其特征是金属钛层(I)为工业纯钛，Ti纯度在99%以上；所述低活性铁素体/马氏体钢层(2)主要由Fe、Cr、V、Mn、W、Ta元素组成，具体成分质量百分比为:Fe占86%以上，Cr在7.5 — 9.5%之间，V在 0.1 — 0.3%之间，W 在 1.0 — 2.0%之间，Mn 在 0.1 — 0.6%之间，Ta 在 0.01 — 0.2%之间。
【文档编号】B32B1/08GK103632734SQ201310576449
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2013年11月18日
【发明者】罗天勇, 张建利 申请人:罗天勇, 张建利