国际热核实验堆的材料挑战–现状和未来活动外文翻译资料

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国际热核实验堆的材料挑战–现状和未来活动（翻译）

摘要

国际热核实验堆将是第一个实验性聚变设施，它将聚变反应堆开发相关的关键物理、材料和技术问题汇集在一起​​。国际热核实验堆的设计已经完成，工程即将开始。本文讨论了面向项目的材料活动的主要方向以及与国际热核实验堆组件的材料选择有关的主要挑战。对于国际热核实验堆中的每个应用，确定了主要的材料问题，并在专用的国际热核实验堆研发计划中解决了这些问题。材料性能的合理性已经被充分记录下来了，这使得设计数据具有可追溯性和可靠性。举几个例子来说明最近更新的《国际热核实验堆材料性能手册》的主要成就和建议。描述了主要的正在进行的和未来的材料活动。

2007 Elsevier B.V.保留所有权利

1.简介

国际热核实验堆将是第一个将运行中的聚变反应堆的物理、材料和关键技术结合在一起的实验。国际热核实验堆项目目前正在进入施工阶段。在选择了法国卡达拉奇的建筑工地之后，与会各方（欧盟，日本，俄罗斯联邦，美利坚合众国，大韩民国，中国和印度）正在进行广泛的谈判，主要目标在于最终确定建立国际热核实验堆（ITER）的国际协议。国际热核实验堆计划将负责国际热核实验堆的建设和运行，并将于2007年成立。

国际热核实验堆的总体设计已经完成到足以准确估算其成本的程度，并且在2001年，在国际热核实验堆最终设计报告中发布了详细说明[1]。近年来国际热核实验堆项目的状态以及主要的设计修改和改进发表在以前的聚变反应堆材料会议的议事录中[2,3]。

在国际热核实验堆的早期设计阶段，与会各方实施了严格的材料研发计划以支持材料的选择，以解决独特的操作条件（磁体的工作温度为4K，容器内部件的辐射强度为14 MeV中子辐照，高温和面向等离子材料的颗粒通量等），并提供必要的材料属性数据库以进行设计论证。 国际热核实验堆材料文件[4,5]中概述了研发计划的结果，[6]中对它们进行了回顾。

本文讲稿简要描述面向项目的材料活动以及各种国际热核实验堆组件的材料选择。主要材料文件的状态将被审查。给出了一些最新的国际热核实验堆材料性能手册中有关真空容器和容器内材料的性能建议示例。最后，将简要描述未来的主要活动。

2、各种组件的材料选择

在国际热核实验堆项目的开始，总策略是使用常规的工业可用材料。开发新的工业材料需要大量的努力和时间来进行材料鉴定，这对于该项目是不可接受的。但是，国际热核实验堆的特定操作要求（中子辐照，热通量效应，低温等）需要对现有材料进行一些修改。举个例子，对于低温磁体应用，发现在常规范围内具有严格规定浓度的诸如氮，镍和铬等元素的316LN钢具有明显更高的强度。这就为磁体结构定义了一类“强化奥氏体钢” [7]。

以类似的方式，加强CuCrZr中Cr和Zr的浓度范围规范会引起强度性能的显着改善。引入了特殊的热机械处理，从而改善了DS铜的强度性能。

只有少数几个专门为国际热核实验堆应用开发的材料示例。主要的例子是开发用于高热通量的新型碳纤维复合材料。

还必须考虑到国际热核实验堆对材料化学成分的特定安全要求。举个例子，用于真空容器和磁体的结构材料对钴含量有限制，以减少接触剂量、活性废物和活性腐蚀产物。

表1总结了一些国际热核实验堆组件的材料选择。磁体和诊断组件的材料清单包含在[2]中。材料的选择是基于一般的工程方法，并考虑了操作条件、安全要求、物理和机械性能、可靠性、可维护性、腐蚀性能、连接能力等。对于某些材料，详细原因将在本文后面讨论。某些组件可能使用的几种其他材料仍在评估中，其选择将随着设计的完成而最终确定。

3、材料文件

国际热核实验堆项目中当前材料活动的主要目标是提供设计评估所需的合格的、可靠的和可追溯的建议。所需的属性数据在用于不同国际热核实验堆组件的设计规范（ASME，RCC-MR等）中指定。但是，国际热核实验堆使用的是规范中未包含的材料（例如铜合金、钛合金）。而且，对于国际热核实验堆的运行条件（温度范围，中子注量），所需的数据是未知的。

为了提供一种有效的建议准备流程，目前正在组织材料活动，如图1所示。材料专家组评估了国际热核实验堆研发报告和相关公开出版物中的数据，并将这些数据包含在国际热核实验堆材料特性数据库（MPDB）中。专家组的成员包括来自国际热核实验堆国际小组和与会各方的材料科学家，进行数据评估并提供建议。这些建议是根据国际公认的规范程序生成的（有关详细信息，请参阅MPH）。

图1 真空容器和容器内组件的数据流结构和材料文档

表1 几种国际热核实验堆组件的材料

详细的评估记录在国际热核实验堆《材料属性手册》（MPH）中。来自MPH的推荐数据包含在特定的规范文档中（例如国际热核实验堆结构设计标准的附录A）或由设计人员直接使用。这种结构保持了建议的可追溯性，并允许将来修改推荐的数据。

总结一下，当前可用的材料文档如下：

国际热核实验堆《材料性能手册》[4]：大量与国际热核实验堆相关的材料的物理和机械性能的相关设计数据的集合。《材料性能手册》构成了材料文档的核心。当前MPH由三部分组成：

-MPH磁铁部分，其中包括工作温度为4K时的磁体材料数据。

-MPH低温部分，其中包括隔热材料工作在77K至400K温度时的数据。

-MPH集成电路部分，其中包括真空容器和容器内材料的数据。

MPH包括例如导热率、热膨胀等的物理性质。通常特指这些性质的平均值。MPH还建议平均和最小拉伸性能。对于某些材料，最小拉伸性能已包含在规范中（例如RCC-MR中的316L（N）-IG钢），而对于其他材料，则基于原始实验数据的统计分析来计算最小值。

《国际热核实验堆材料评估报告》（MAR）[5]：描述了选择用于真空容器和容器内部件的特定材料等级的理由以及对材料性能的评估。

《国际热核实验堆材料性能数据库》（MPDB） [8]：原始实验数据的收集为进一步的建议提供了基础。数据库以易于访问的形式维护数据，它是维护数据、测试详细信息、数据源和其他相关信息的完全可追溯性的重要工具。正在评估原始实验数据，并且只将合格数据用于进一步的评估。

材料采购规范：一组描述了各个组件的材料的采购的文件。这些文件正在与各行各业紧密合作进行准备。它们基于可用的技术规范（ASTM，RCC-MR，EN等），并包含特定的国际热核实验堆要求。

还有一些主要基于MPH建议并包括特定的设计属性的其他设计文件（国际热核实验堆结构设计标准（SDC-IC）的附录A [9]，安全分析数据列表（SADL）[10]）。

4、真空容器和容器内组件的材料

本章包括一些有关材料的说明性信息，最近的评估以及对真空容器和容器内材料的建议。概述了这些材料的关键问题。并非国际热核实验堆中用于这些组件的所有材料都包括在本文中。可以在国际热核实验堆材料文档中找到更多信息。

4.1.真空容器的材料

真空容器是双壁环形水冷结构[11]。该材料在100–200°C下工作，预期的破坏量小于0.02 dpa。所选材料必须在国际热核实验堆计划运行的30年中提供可靠和安全的运行。表1汇总了真空容器和真空容器支架的材料清单。

真空容器是重要的安全组件（根据国际热核实验堆分类），因为它具有重要的密封功能。在选择了施工现场（法国，卡达拉奇）之后，决定了许可的适当设计和施工法规是带有所谓的国际热核实验堆附录的RCC-MR [12]，其中包括现有法规未涵盖的一些新功能。该规范中包含国际热核实验堆真空容器的主要结构材料（316L（N）-IG，304钢，660钢，718合金）。

命名为316L（N）IG

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