聚变堆材料体系及特点
核聚变结构材料
核聚变结构材料
核聚变结构材料是指用于核聚变反应的反应堆中的材料。
核聚变是一种将轻元素合成成重元素的核反应过程，同时释放出大量的能量。
在核聚变反应堆中，需要使用能够承受高温、高辐射和高能量流密度的材料。
常见的核聚变结构材料包括以下几种：
1. 金属材料：金属材料常用于反应堆的结构件，如支撑结构、冷却管道等。
常见的金属材料包括钢、铁、铝等。
这些金属材料具有良好的机械性能和热传导性能，能够承受高温和辐射。
2. 石墨材料：石墨是一种具有良好热传导性能和辐射抵抗性能的材料。
石墨常用于反应堆的中子减速剂和中子反射层，能够降低反应堆中的中子速度和增加反应堆的热效应。
3. 陶瓷材料：陶瓷材料常用于反应堆中的包层和润滑材料。
陶瓷具有良好的辐射抵抗性能和耐高温性能，能够有效隔离反应堆中的高温和辐射。
4. 其他特殊材料：除了上述常见材料外，还有一些特殊的材料用于核聚变结构，如氢化物材料、氘化物材料等。
这些材料在核聚变反应过程中能够稳定地储存氫和氘，保证反应过程的稳定性和效率。
总的来说，核聚变结构材料需要具备辐射抵抗性能、耐高温性能、热传导性能和机械稳定性能等特点，以确保核聚变反应堆的安全运行和高效能产生能量。
核聚变反应堆的材料研究
核聚变反应堆的材料研究核聚变，作为一种潜在的近乎无限且清洁的能源来源，一直是科学界和工程界追求的目标。
然而，要实现可控核聚变并将其有效地转化为实用能源，面临着诸多挑战，其中材料问题是关键之一。
在核聚变反应堆中，材料需要承受极端恶劣的环境条件。
首先是高温，核聚变反应产生的温度可高达数亿摄氏度，这对材料的耐热性能提出了极高的要求。
其次是高能量粒子的轰击，包括中子、质子等，这些粒子会导致材料的结构损伤和性能退化。
此外，还有强烈的辐射场，会使材料发生辐照损伤和活化，产生放射性物质。
面对如此苛刻的条件，科学家们一直在努力寻找和开发合适的材料。
首先要提到的是结构材料，它们构成了反应堆的主体框架。
在众多候选材料中，钨及其合金由于具有高熔点、高强度和良好的抗辐照性能，成为备受关注的结构材料之一。
钨在高温下仍能保持较好的机械性能，但其脆性较大，需要通过合金化和微观结构优化来改善。
另一种重要的材料是面向等离子体材料，直接与高温等离子体接触。
这类材料需要具备良好的热导性能、低溅射率和低氢同位素滞留等特性。
目前，碳基材料如石墨和碳纤维复合材料在这方面表现出一定的优势，但它们在高温下的稳定性和耐辐照性能仍有待提高。
在核聚变反应堆中，超导材料也扮演着至关重要的角色。
超导磁体用于产生强大的磁场来约束等离子体，以实现可控核聚变反应。
高温超导材料如钇钡铜氧（YBCO）具有较高的临界温度和临界磁场，能够减少制冷成本和提高磁场强度。
然而，高温超导材料在强磁场和高电流密度下的性能稳定性仍然是一个需要解决的问题。
除了上述材料，还有用于绝缘、密封和传热等功能的材料。
例如，陶瓷材料在绝缘方面具有良好的性能，但在高温和辐照环境下容易发生开裂和性能劣化。
液态金属如锂和铅锂合金在传热方面具有潜在应用价值，但它们的腐蚀问题和与其他材料的相容性需要深入研究。
材料的研发不仅要考虑其在反应堆中的性能表现，还需要考虑制造工艺的可行性和成本。
例如，一些高性能材料可能由于制造难度大、成本高而难以大规模应用。
核聚变反应堆的简介
核聚变反应堆的简介
核聚变反应堆（Nuclear Fusion Reactor）是指利用聚变反应来产生能量的一种装置，聚变反应是指将轻原子核（如氢）合并成较重的原子核（如氦）的过程。
相比于目前广泛应用的核裂变反应堆，核聚变反应堆具有更优秀的安全性、环保性以及能源效率等优势，被誉为“清洁能源”之一。
下面我们来分点介绍核聚变反应堆的一些特点：
1. 原理：核聚变反应是基于热核反应产生能量，将轻原子核聚变成重原子核的过程中会释放大量能量，这种过程需要高温和高密度的物质才能引发。
2. 现状：目前，全球正在研究两种核聚变反应堆，一种是追求实现聚变能源商业化运营的大型聚变装置（如ITER），另一种是研究用于核武器的小型聚变堆。
3. 优势：相比于核裂变反应堆，核聚变反应堆不会生成长寿命的高活性废物，减少了对环境的影响，也不需要在高压下储存放射性废物。
同时，核聚变反应堆几乎不会爆炸，而且在运行时只需较少的燃料供给即可持续发电，不仅能减少对碳排放量造成的影响，还能够更好的应对环境问题。
4. 挑战：迄今为止，核聚变反应堆仍然存在一些挑战，如高温下材料破损、放射性释放以及燃料扩散等问题。
同时，建造和维护核聚变反应堆的投资和技术难度也很高，需要较长时间的实验和研究，以确保其运行的安全和可靠。
5. 前景：尽管在核聚变反应堆的研究和实验过程中遇到了很多困难，但核聚变反应堆作为一种清洁、安全的能源来源，其前景仍然广阔。
未来，随着更多国家的加入和技术的进步，相信核聚变反应堆将能够成功商业化运营，为人类提供更加可持续和低碳的能源供应。
核聚变反应堆的关键材料都有哪些特点
核聚变反应堆的关键材料都有哪些特点在追求清洁能源的道路上，核聚变一直被视为人类未来能源的希望之光。
而要实现可控核聚变，关键材料的选择和性能至关重要。
这些关键材料具有一系列独特的特点，下面我们就来详细了解一下。
首先，让我们谈谈用于核聚变反应的燃料。
核聚变反应通常使用氢的同位素，如氘和氚。
氘在自然界中的含量相对丰富，可以从海水中提取，这是其一大优势。
氚则相对较为稀少，但可以通过在反应堆中利用锂与中子的反应来产生。
这两种燃料的特点在于它们能够在极高的温度和压力条件下发生核聚变，释放出巨大的能量。
而且，与传统的化石燃料相比，核聚变燃料的储量几乎是无限的，为人类提供了几乎取之不尽的能源供应。
说到核聚变反应堆，就不能不提到第一壁材料。
第一壁材料直接面对高温等离子体，承受着巨大的热负荷和粒子辐照。
常见的第一壁材料包括钨、钼等金属。
钨具有极高的熔点，能够在高温环境下保持稳定的结构和性能。
它的强度高，能够承受等离子体的冲击和侵蚀。
钼也具有良好的高温性能和机械强度。
除了第一壁材料，包层材料也是核聚变反应堆中的关键部分。
包层材料的主要作用是吸收中子产生热能，并实现氚的增殖。
目前，常用的包层材料有锂陶瓷和钒合金等。
锂陶瓷具有良好的中子吸收性能和热稳定性，能够有效地将中子的能量转化为热能，并增殖氚。
钒合金则具有较高的强度和韧性，能够在复杂的环境中保持结构完整性。
在核聚变反应堆中，还有一种重要的材料——超导材料。
超导材料能够在低温下实现零电阻，大大降低了能量损耗，提高了磁场的强度和稳定性。
常用的超导材料如铌钛合金和铌锡化合物等。
这些超导材料需要在极低的温度下工作，通常需要液氦或液氮来进行冷却。
它们的特点是能够承载极高的电流密度，从而产生强大的磁场，用于约束和控制核聚变反应中的等离子体。
另外，结构材料也是不可或缺的。
结构材料需要在高温、高压、强辐照等极端条件下保持良好的力学性能和稳定性。
例如，低活化钢具有较低的放射性活化特性，在长期使用后产生的放射性废物较少。
聚变堆材料体系及特点
~300
1000
SiCf/SiC复合材料典型目标值
结构材料发展综合评价
e.g.2-Phase Li+W Alloy
风 险 性 、 吸 引 力
RAFM钢 V合金 SiCf/SiC
成 熟 度 、 可 行 性
Measure of Attractiveness
Self-cooled Pb-17Li He-cooled CB Self-cooled Li Self-Cooled LM+Insert He-Cooled Water- CB Cooled CB or LM
• 缺点
– 抗氧化性能差 – 规模生产经验少，目前基本处于实验室水平
• V-4Cr-4Ti是V合金中的首选
– 发展V合金的国家有：日本、苏联、美国、中国等
SiCf/SiC复合材料
• 优点
– 高强度 – 低活化水平 – 耐高温（1000℃）热效率高
Thermal conductivity (W/mK) Therm. expans. coeff.(10-6K-1) Electrical conductivity (1/m) Porosity Young’s modulus (GPa) ~20 ~4 ~500 ~5% ~300
– 在中子辐照下性能一般会下降，如辐照引起的材料硬化，从而使延 展性下降导致韧脆转变温度(DBTT)升高，缩小了材料的安全使用 温度范围。 – 在D/T聚变堆中D及T在材料中的氚滞留和循环使用问题是很重要 的，这影响到堆的正常运行。
•
安全和废料的处置
– – 在反应堆停止运行后的材料的处理，这就要求在选择材料时不能用 活化特性金属（嬗变元素放射性寿命较长）。 材料的有些杂质控制非常的严格一般在ppm量级，这对材料的制 造及加工是一个很大的挑战。
聚变堆包层的作用
聚变堆包层的作用聚变堆是一种利用核聚变反应产生能量的设备，它的核心部分是聚变堆心。
聚变堆心是由一定数量的聚变燃料组成的，这些燃料在高温高压下发生核聚变反应，产生大量的能量。
然而，聚变堆心的运行需要极高的温度和压力，这对聚变堆的安全性和稳定性提出了很高的要求。
为了保证聚变堆的正常运行，需要在聚变堆心周围设置一层包层，这就是聚变堆包层。
聚变堆包层的作用主要有以下几个方面：1. 保护聚变堆心聚变堆心是聚变堆的核心部分，是产生能量的地方。
为了保护聚变堆心，防止其受到外界的干扰和损坏，需要在其周围设置一层包层。
包层可以起到隔热、隔离和保护的作用，防止聚变堆心受到外界的影响。
2. 控制聚变反应聚变反应是一种高温高压的反应，需要严格控制才能保证聚变堆的安全性和稳定性。
聚变堆包层可以起到控制聚变反应的作用，通过调节包层的温度和压力，可以控制聚变反应的速率和强度，保证聚变堆的正常运行。
3. 收集产生的能量聚变反应产生的能量是聚变堆的主要输出，需要及时收集和利用。
聚变堆包层可以起到收集能量的作用，通过包层内部的管道和设备，可以将产生的能量收集起来，转化为电能或其他形式的能量输出。
4. 维护聚变堆的稳定性聚变堆的稳定性是聚变堆运行的关键，需要通过各种手段来维护。
聚变堆包层可以起到维护聚变堆稳定性的作用，通过包层内部的控制系统和设备，可以对聚变堆进行监控和调节，保证其稳定运行。
聚变堆包层是聚变堆的重要组成部分，它可以起到保护、控制、收集和维护聚变堆的作用，是聚变堆正常运行的关键。
随着聚变技术的不断发展和完善，聚变堆包层的作用也将不断得到提升和优化，为人类提供更加安全、高效和可持续的能源解决方案。
核聚变反应堆的材料选择
核聚变反应堆的材料选择核聚变作为一种潜在的几乎无限的清洁能源，一直以来都是科学研究的前沿领域。
然而，要实现可控核聚变并将其转化为实用的能源，面临着诸多挑战，其中材料的选择就是至关重要的一环。
在核聚变反应堆中，材料需要承受极端的条件，包括高温、高辐射、高压力和强磁场等。
首先是高温，核聚变反应需要在极高的温度下才能发生，通常要达到数千万摄氏度甚至更高。
在这样的高温下，大多数常规材料都会迅速熔化或气化。
因此，寻找能够耐高温的材料是首要任务。
目前，一些具有高熔点的金属和陶瓷材料被认为是潜在的候选者。
例如钨，它的熔点高达 3422℃，具有良好的热稳定性和机械强度，在高温环境下能够保持其结构和性能。
但钨也存在一些缺点，比如它的脆性较大，在复杂的应力环境下容易开裂。
陶瓷材料如碳化硅，也因其出色的耐高温性能而受到关注。
然而，陶瓷材料的韧性通常较差，需要通过特殊的工艺和设计来改善其力学性能。
除了高温，高辐射也是核聚变反应堆材料面临的严峻挑战。
在核聚变反应中，会产生大量的高能粒子和射线，这些辐射会对材料的原子结构造成损伤，导致材料的性能下降，甚至失效。
例如，辐射会导致材料的晶格缺陷增加，从而降低其热导率和电导率；还会引起材料的硬化和脆化，使其更容易破裂。
为了应对辐射损伤，需要选择具有良好抗辐射性能的材料。
一些特殊的金属合金，如奥氏体不锈钢，由于其复杂的晶体结构和化学成分，能够在一定程度上抵抗辐射损伤。
此外，一些含氦量低的材料也较为理想，因为氦在辐射环境下容易聚集形成气泡，从而破坏材料的结构。
高压力也是核聚变反应堆中不可忽视的因素。
在反应堆内部，等离子体的约束需要强大的磁场和压力来实现。
材料需要在这样的高压环境下保持其稳定性和密封性。
对于承受高压的部件，高强度的金属和合金材料是常见的选择。
例如，高强度的钛合金具有优异的抗压性能和耐腐蚀性，能够在复杂的压力环境下正常工作。
在核聚变反应堆中，材料还需要与等离子体直接接触或间接相互作用。
聚变堆材料(部分示意,仅供参考)
1、核聚变反应堆所用的材料主要包括：A 热核材料；B 第一壁材料；C 高热流部件材料；D 氚增殖材料2、核聚变堆设计和工况条件A 第一壁环境条件，第一壁是聚变堆中离等离子体最近的部件，应具有抗中子辐照损伤能力，对氢脆和氦脆（指材料中掺入氢气、氦气，材料会变脆，相应性能降低）不敏感，与冷却介质和包层材料相容性好。
B 真空壁材料的设计限值，包括使用温度、热导率、热膨胀系数、强度、弹性模量等上限要求。
C 比起裂变反应堆，聚变反应堆具有特有的材料工艺问题：超导磁体及低温技术，强磁场下导电液体的泵送技术，14MeV 中子的辐照损伤、氦离子轰击和溅射起泡现象等。
3、第一壁材料（1）奥氏体（可以说是铁的同位素钢中性能最好的一种，应用范围最广，但也不绝对）不锈钢。
优点：该材料具有良好的加工、焊接性能，与氦冷却剂和陶瓷增殖材料相容性好；缺点：但屈服强度较低，抗辐照肿胀性较差。
（2）铁素体和马氏体不锈钢优点：与奥氏体不锈钢相比，抗辐照肿胀性好，具有更高的热应力因子和更好的液态金属腐蚀行为，与候选冷却剂及氚增殖剂的化学相容性好；缺点：但对热机械处理十分敏感，退火（钢材料性能改善的手段之一，退火温度由相图决定。
简单地讲，就是将钢的温度加热到某一温度，使晶格发生变化，以达到某种性能，再在这一新材料的基础上用某种手段降温至室温，降温速度不同，材料变形不同）温度和时间的变化对其性能影响较大，且焊接工艺要求较为苛刻。
（3）钒合金优点：具有优良的高温力学性能、抗腐蚀肿胀性能和低中子活化特性，与高纯氦相容性好，一般需要在合金表面覆镀一层绝缘性膜；缺点：不过存在氢脆现象，且钒合金的工业生产经验和性能数据较为贫乏，目前通常在惰性保护气体或真空环境中进行该合金的焊接工作。
（4）SiC/SiC 复合材料优点：具有优良的高温性能。
在氦冷却介质系统中可工作到800摄氏度，可大大提高能源系统的热效率。
它比金属类材料在安全、维护和放射性处理方面具有更大的优势。
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• 对涂层要求
– 电绝缘性
• 电绝缘性与涂层厚度的乘积要求 ＞ 0.01Ωm2
– 氚渗透降低因子TPRF
• 液态（LiPb）冷却剂流道中：TPRF > 100（相对于未加涂层的基体材料） • 气相渗透：TPRF > 1000
– 与液态LiPb有很好的相容性（＞500℃）
功能材料（流道插件）
• 部件功能
面向等离子体材料分类
• 低Z材料
– 材料
• 石墨，碳纤维增强碳纤维复合材料 （CFC），铍（Be）等
– 特点
• 中心等离子体容许浓度高 • 低溅射阀能 • 充足的运行经验
PFM材料
• 高Z材料
– 材料
• W及其合金 • Mo及其合金
– 特点
• 中心等离子体容许浓度低 • 高溅射阀能 • 运行经验有限
• 细晶粒石墨中0.1dpa时，约为7000appm。
• 差别可能原因是微观结构，在CFC中氚被捕获的边角位置比较少。
– 托卡马克研究表明，滞留中占优势机制为碳与氢位素的共沉积。
• JET MkII偏滤器泵送区域后面的冷区中发现了氘饱和材料的膜和薄片， 根据分析约占全部氘燃料的4%。
CFC的辐照效应
聚变堆材料体系及特点
磁约束聚变堆工作原理
氚 循 环 线圈 屏蔽 包层
等 离 子 体
偏滤器
电 循 环
中 子
热 交 换 器
发 电 或 供 热
辐射热
氘、氚
He粒子热
磁约束聚变堆部件径向分布情况
包层功能： • 能量获取 • 氚增殖 • 包容等离子体 核 辐 射 屏 蔽 层
产生聚变中子 （14MeV) 堆芯 等离子体
• 低活化铁素体马氏体钢（RAFM）
– 使用温度约550℃ຫໍສະໝຸດ • 钒合金– 使用温度700℃
• SiCf/SiC复合材料
– 使用温度1000℃
低活化铁素体/马氏体钢
• 缺点
– 上限运行温度相对较低（约550℃）
• 优点
– 热导率较高，热膨胀系数小 – 抗辐照，低活化 – 先进的工业基础，现实可行性好 – 经济性好
氚增殖材料分类
• 液态增殖剂
– 材料 • 液态金属锂（Li）、氟锂铍熔盐（FLiBe）、液态锂铅合金 （Li17Pb83） – 优点：
• 高中子经济性 • 可在线提氚 • 可在线补充Li6
• 固态增殖剂
– 材料：
• 合金型：Al-Li • 陶瓷型：Li2O、偏铝酸锂（LiAlO2）、偏锆酸锂（Li2ZrO3）、 偏 硅酸锂（Li4SiO4）、钛酸锂（Li3TiO3）等；
• 发展不成熟
– 大型部件制造 – 密封连接技术 – 辐照肿胀与辐照蠕变 – 辐照引起的热导率下降
• SiCf/SiC作为结构材料的发展目标
– 高温热导率 – 低电导率 – 高温下与LiPb相容性好 – 抗中子辐照
tensile strength/Sm (MPa)
Max. operation temp. (oC)
未来聚变DEMO堆和第一座聚变电站的首选结构材料 • 国际上目前发展的RAFM钢
– 日本的F82H, JLF-1 – 欧洲 EUROFER97 – 美国9Cr-2WVTa – 中国低活化铁素体马氏体钢（CLAM）
• 优点：
– 活化水平低
钒合金
– 运行温度高（700℃） – 辐照肿胀低 – 与Li有很好的相容性 Li自冷包层系统的首选结构材料
•
等离子体玷污
– 材料表面放出的各种粒子（包括所吸附的工作气体、杂质气体和组成材 料本身的元素）进入等离子体约束区后对等离子体约束特性造成的影响。
基本图像及过程
作用机制：
• 溅射； • 蒸发； • 解吸； • 起弧； • 背散射； • 反扩散； • 表面起泡； • 氢在晶界处析出等； • 中子辐照引起的体损伤等
辐照会导致CFC材料各种性能的变化。 – 弹性模量
– 优点
• 危险性低（无Li反应） • 无磁流体动力学效应（MHD）
三、功能材料（涂层）
• 涂层功能
– 防氚渗透 – 作为绝缘层，降低MHD效应 – 防腐蚀层（增殖剂如LiPn）
• 涂层材料
– 氧化物层：Cr2O3、Al2O3、Y2O3、SiO2、TiO2等； – 钛基陶瓷涂层：主要包括碳化钛和氮化钛，或两种的复合或混合； – 硅化物涂层：SiC和Si3N4。
– 绝缘 – 绝热 – 降低MHD压降
• SiCf/SiC复合材料
– （可选材料）
• 存在问题
– 材料制备工艺技术不成熟，需探 索研究 – 复杂形状尺寸的加工和连接问题 – 与LiPb的相容性问题
2. 面向等离子体部件及材料
2.1 与等离子体相互作用 2.2 低原子序数材料 2.2 高原子序数材料
• 缺点
– 抗氧化性能差 – 规模生产经验少，目前基本处于实验室水平
• V-4Cr-4Ti是V合金中的首选
– 发展V合金的国家有：日本、苏联、美国、中国等
SiCf/SiC复合材料
• 优点
– 高强度 – 低活化水平 – 耐高温（1000℃）热效率高
Thermal conductivity (W/mK) Therm. expans. coeff.(10-6K-1) Electrical conductivity (1/m) Porosity Young’s modulus (GPa) ~20 ~4 ~500 ~5% ~300
面向等离子体材料的侯选材料
CBM Be
与等离子体的相容性 （低Z） 相对较高热导值 无化学溅射 可原位修复 强的吸氧能力 低活性 辐照增强升华 低的抗氧化性 氚储存量大 耐中子辐照能力低 800℃以上耐氧化性差 低熔点 使用寿命短 有毒性，需安全措施 尘埃易爆 可原位修复 高热导 可承受高热应力 物理溅射域值高，没有化学腐蚀 （H+） 高熔点 低的氚储存和肿胀 中子辐照后发脆 高的辐射性 高Z（等离子体中可容许浓度低） 在大的聚变装置中缺乏大量使用数据 差的加工性 与铜热沉连接时的热膨胀时失配较大 尘埃易爆
~300
1000
SiCf/SiC复合材料典型目标值
结构材料发展综合评价
e.g.2-Phase Li+W Alloy
风 险 性 、 吸 引 力
RAFM钢 V合金 SiCf/SiC
成 熟 度 、 可 行 性
Measure of Attractiveness
Self-cooled Pb-17Li He-cooled CB Self-cooled Li Self-Cooled LM+Insert He-Cooled Water- CB Cooled CB or LM
~109℃
增 殖 包 层
102℃
热 辐 射 屏 蔽 层
（液氮） ~ -200℃ (80k)
超 导 磁 体
生 物 屏 蔽
~ -269℃(4k)
高温-低温、高压-高真空、强电流-强磁场、极度复杂高技术系统
聚变堆相关关键学科
• 等离子体物理 （理论/实验、微波加热、真空、诊断等） • 核物理 （中子/光子/电子核设计与测量、辐射防护） • 热与低温物理 （热能、制冷、流体） • 电与磁物理 （超导、电源） • 材料技术 （金属/非金属、结构材料/功能材料) • 计算机技术 （仿真、可视化、控制、网络等） • 其他交叉 聚变堆材料是聚变能实现的“瓶颈“问题之一 －－> 聚变堆材料研究重要性
– 材料的价格是其经济性的考虑，有些PFM材料的价格是很昂贵的，每公 斤高达几百美元。像单晶钨就是因为价格太高而没有经济可行性从 ITER的计划中去除去了。
– 加工费用可能还要比材料本身要贵的多。 – 组成各个功能部件的材料的膨胀系数并不相同，所以各种材料的连接技 术也是关键的。
•
辐照的材料性能的改变(包括中子辐照和离子的辐照)
FDS－II
• 涉及材料
– – – –
结构材料 氚增殖材料 功能材料 冷却剂
一、结构材料
• 聚变堆结构材料(尤其是第一壁材料)所处环境较为恶劣， 对材料要求相对较高。
强中子辐照 电磁辐射 高热负荷 复杂的机械负荷 物理与化学冲击等
辐照损伤 能量沉积
机械应变及热应变的产生等
W
优
低Z 值（积累了大量经验） 高热导率 优良的热冲击性（特别是CFC 材料） 低破裂腐蚀率
点
作为高热通量部件可以用作限制 器及偏滤器材料
缺 点
中子辐照后热导降低（但通过退火可 部分恢复） 需一定焙烧和清洗技术 与铜热沉连接时的热膨胀时失配较大 尘埃易爆
碳基材料及性能特点
– 最初使用的碳基材料 高纯石墨，现在仍然在Takamak中使用， 但不适用于未来聚变堆。主要缺点： • 石墨的孔隙较大，导致水蒸气、H2、O2等多种气体大量贮存于孔 隙，特别是对于聚变燃料氘、氚存贮量高，给聚变实验装置的再 循环控制造成了困难。 • 其耐高温氧化性差，并有高化学溅射和辐照升华(RES)现象，使用 寿命较短等。 –石墨性能改进方法：掺杂石墨（提高抗氧化能力） • 向石墨中加入B、Ti和Si等杂质元素能有效抑制化学溅射现象，并 提高机械性能、热性能、真空性能。
等离子体与材料表面相互作用
• 等离子体对材料的损伤
– 物理溅射
• 粒子通过碰撞交换给靶原子能量足以克服靶原子间束缚力而使之逸出表面。
– 化学溅射
• 入射粒子与靶原子发生化学反应在表面产生不稳定化合物而脱离表面。
– 表面起泡和剥落
• 氦离子轰击可在表面层下形成含氦量高的区域，并形成氦泡，到达一定程度 后隆起形成气泡，满足一定条件后破裂。
Others?
SiCf/SiC
V-alloy
RAFMs
Development Risk