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增殖剂功能材料现状与发展
S. Konishi1， M. Enoeda2, M. Nakamichi2, T. Hoshino2, A. Ying3, S. Sharafat3 and S. Smolentsev3
引言
本篇文章回顾了DEMO反应包层中氚增殖层，中子倍增剂和内嵌流道材料的进展。ITER的实验包层模型（TBM），采用了球床结构,Be中子倍增剂。实验取得积极进展，实验中设计的，验证还在进行中。在辐照环境下，Be的导热系数减小，材料肿胀的情况在有限的实验数据中有出现。ITER的实验成果是里程碑式的。在DEMO环境，已经尝试了更高的锂含量的增殖层，并且已经研究了具有优异化学稳定性的和其他铍化物。LiPb共晶在液态增殖层选项中被视为DEMO包层，并被用作冷却剂以达到更高的出口温度。 SiC内嵌流道用于防止磁流体动力压降和腐蚀。人们认识到，ITER TBM和DEMO之间存在巨大的技术差距，世界范围内聚变组织正在同时开发ITER TBM和DEMO模块。
1.DEMO 环境下功能材料的现状与展望
本章节将关注，DEMO环境下，ITER测试包层模块功能材料进展。和其他核聚变组成装置不同，增殖包层从未在过去和现在的装置中被安装测试。ITER的包层模块是第一个在真实聚变环境下接受14MeV中子辐射的集成件。包层所需的功能材料的进展聚焦于氚增殖层。它由含锂材料（如锂基陶瓷）和中子倍增剂（如，铍）组成。另外液态的增殖层（如液态锂和液态LiPb）并未被视为功能材料，它仍需要绝缘隔热陶瓷材料来隔绝导电流体和液态金属流动。燃料循环流道材料是和增殖层同步发展的，本文仅介绍尚未进行到工程规模的SiC流道。目前还有研究液态锂的氧化铒隔绝层，但没有包层采用这种方案，本文将不再提及。
1.1 功能材料向DEMO发展的现状与问题概述
聚变堆采用DT燃料进行循环，其中锂燃料产生自然界不充足的氚。对核聚变来说，常在快速反应堆中应用的钚裂变和基于U-233的钍裂变，反应堆运行中中子由燃料产生，自给自足。裂变燃料循环在反应堆结构外进行，而核聚变的DT循环全部过程在反应器中，需要反应器的支持。满足必要设计条件的反应器是由不同种类的氚增殖包层和冷却剂组成的。近期典型包层设计方案见表一。当前欧洲方案是锂基陶瓷-液态LiPb增殖剂[1,2]，水氦LiPb冷却剂，同时有四种增殖包层设计[3]。日本有几种不同的方案，但是集中在水冷陶瓷方向[4,5]。韩国的K-DEMO包层采用球状陶瓷和 [6]。中国采用Be冷却[7]。可能还有其它理论上可行的方案，但是在DEMO环境下可行性不高。
增殖层由几十厘米厚的含锂材料组成，导热介质在层中循环。加热中的中子在包层中移动和碰撞，最终被含锂材料吸收并释放氚。基于蒙特卡洛法的模拟分析（如MCNP）（1）反应释放能量大于DT反应消耗的能量。
6Li n→t alpha; 4.8 MeV （1）
目前固态包层材料和是主要被比较的。生成的氚和中子进入包层的比例被称为氚增殖率（TBR）。评估氚循环的可行性TBR是个重要的指标。但是在实际包层中，中子会因为被吸收或者其他原因造成中子的损耗。为了弥补中子损耗，需要快中子参与的吸热反应（2）和中子倍增剂（如Be）参与的反应。
7Li n → t alpha; n – 2.5 MeV （2）
中子倍增剂比如铍铅填充在包层中。由于中子倍增反应需要吸收几兆电子伏来激发反应，中子倍增剂暴露在快中子接触的地方。包层并不能覆盖整个等离子体表面，同时中子在等离子体容器中也有明显的损耗[8]，所以为了维持包层外BTR大于1，包层中的TBR需要达到1.3-1.4。和其他的持续性的或者不太重要的反应器条件相比，TBR不大于1，聚变反应就无法长期运行，事关反应堆的生死。
在稳定状态，热流密度流量的输入和冷却剂的吸热保持温度的平衡。当前大部分包层设计受到材料的结构和功能以及其他因素的制约，设计温度在573-973K。偏滤器散热，能量聚集在表面，热量传递和转换很难进行。而小空间内介质传热方法可以比较容易的实现大量传热。氚增殖剂和倍增剂被烧结成球状锂基复合陶瓷，形成球床，冷却剂和清理氚的液体在其中流动。包层球床需要具有足够的导热能力，机械和化学的稳定性，氚释放性能，因为在实际的环境中，辐射会损害包层，锂材料也会耗尽。在气体冷却的情况下，8Mpa的氦气通过压力管道和冷却板进行循环。低压气体经过Be球床带走生成的氚，常混有氢气促进氚的释放。水冷的结构中，水压15MPa，温度598K。
从更高效能量转化角度，有采用液体增殖剂进行聚变能到热能的转换。然而在液体的氚增殖剂和包层中，由于强磁场中的感应现象，液体材料会带来磁动力学(MHD)上的压力骤降，同时还需要磁场屏蔽结构。美国最先开发了锂基双冷却剂材料概念，部分采用液态金属冷却剂，有实现更高温度下的应用。[9]
表1 聚变堆包层概念和材料选择
表一中涵盖了其他液态包层设计，如液态LiPb共晶合金，FLiBe熔盐，纯液态锂。液态包层设计在氚释放和传热方面具有明显的天然优势，同时材料和结构也会有很大的简化。固态的包层中，为了释放氚和能量，增殖剂和中子倍增剂的结构就比较复杂。本文中，液态增殖剂（包含倍增剂） 本次综述的讨论中不被包含在功能材料内。液态包层的腐蚀和兼容性问题方面的结构设计，进展比较局限。在液态锂的方案中，钒合金是包层结构材料，材料的通道中有隔离层覆盖，液态锂在其中流动，进而解决此动力学压力骤降的问题。FLiBe熔盐方案中涉及的氚增殖剂和中子倍增剂都是液态的，倍增剂Be是有利的选择。功能材料问题和固态方案相比不太重要。尽管液态包层在功能上是引人注目的，但是有关的研究的进展在在早期阶段。正如ITER TBM项目的回顾，当前液态包层设计集中在LiPb方案上。FLiBe方案被用于螺旋系统，进一步的研究还在进行中[10]。
表2 各国的ITER TBM设计
DEMO发展阶段中，包层设计需要满足氚增殖特性，同时需要高温传热特性以用于发电。只有少数的集中功能材料可以担任增殖剂和倍增剂，就算这样，在中子辐射和反应器环境下没有充分的实验结果。DEMO中包层材料和其他还未实践的部分紧密相连。因此，当前DEMO包层材料的定义和设计来自于笼统的要求，并没有准确的说明。这就是为什么，本次综述主题在功能材料而不是器件组成或反应器。设计上有很多的DEMO方案出现，但当前还处在探索潜在的材料并进行满足要求的设计的过程中。ITEM TBM项目中，第一层完整结构进行了制造和实验，这被视为“近DEMO实验”。功能材料包层在通过ITER－DT实验后，将会在TBM延伸实验中进行完整性能测试。当前功能材料的部分进展正准备进入ITER-TBM项目，其使用的14MeV的高通量体积源中子场和聚变环境相似。ITER和DEMO功能需求上的不同将在下个章节讨论。
1.2 ITER-TBM项目
ITER是一个致力于探索核聚变的科学和技术可行性的国际计划。TBM项目是ITER项目中关键的一部分。在项目中，TBM并不是装置中的独立的部分。“TBM与相关系统的开发是成员国各自的职责，ITER组织起到协商的作用，而且不是ITER建设的确定采购部分[11]”。在一个共识下，ITER成员国，如中国，欧盟，印度，韩国，日本，都在各自进行研究。在表2中总结了氚的增殖性能，高温性能和发电情况。典型的功能材料模型由氚增殖剂和中子倍增剂构成[12]。
增殖包层的功能会在ITER-TBM项目中得到验证，这是制造和测试增殖包层的第一次尝试。功能验证实验会针对组装完成的模块进行体积源中子辐射。包层一边是生成中子的等离子体，另一边是产生氚和电力的燃料系统。TBM模块会被附着专门的氚清理剂和冷却循环，同时测试氚释放和热传递性能。
TBM测试系统由各成员国提供，被称为TBS（包层测试系统）。和ITER托卡马克装置的其他组成部分不同，TBS是开发测试系统的国家所有，提供给ITER使用。所以，各成员国的设计和开发都不一样。这是不同DEMO概念和国家方案的体现。
在TBM的设计中，除了日本，都选用了８ＭＰａ左右的氦气循环散热系统散热。如果实际情况下DEMO温度过高，则需要蒸汽发生器。日本的模型采用水冷，发电系统使用次级水冷。含有低浓度的氢的氦气作为氚清理剂，带走固态增殖层中的氚。中国欧盟印度韩国都采用或。英国和印度的模型含有液态增殖剂LiPb，氚的补充是依靠模型外含氚LiPb液体完整慢循环实现。印度模型中兼有固态和液态的氚增殖材料。模型的PIE（辐照后检验）会提供增殖剂和倍增剂材料的完整性能。如果PIE由除ITER和成员国外的组织实现，知识产权归属问题和其他ITER组成部分采用的处理会有所不同。
ITER会提供第一手增殖层实验信息，这是反应器技术发展中里程碑式的一步。值得注意的是，ITER中中子通量和注量分别为 和，远低于DEMO中的预估值 。
DEMO测试中使用的材料和ITER的材料是同步开发的。ITER十年计划中，含有的三到四个模型的测试，进一步的测试也在规划中。TBM模块在更超前的DEMO的实验值得关注。
图1 ITER水冷球床TEM结构
表3 日本WCCB TBM 参数
图1和表3展示了ITER 日本水冷球床模型[13]，中子倍增剂、增殖层、冷却管线都是层状构造，核反应热能和氚的释放在模型中有复杂的说明和最大值。该模型中第一冷却壁接收辐射和等离子体中的带电粒子，第一层很大部分是中子倍增剂，接收高能中子，吸收足够能量促进倍增反应。在冷却管后是可以充分利用更多的低能中子氚增殖层。图二展示了根据中子流量和能量频谱分析除的氚的增殖和热释放的典型情况，图中的温度和快速的温度变化限制了增殖剂和倍增剂的温度，同时冷却剂离开包层温度大概在673K（He冷却），573（水冷却）。增殖层和中子倍增剂的设计温度区间范围非常有限。
图2 固态包层稳态下氚增殖率（TBR）图谱
近DEMO中子场具有通量和持续时间足够的立体辐照，是唯一的模拟热和氚的释放的场源。在此方面的DEMO包层设计实验有几篇写得很具体，在实验的性质上相似。值得注意的是，增殖层的功能情况在ITE条件下和DEMO可能会存在较大差异。像DEMO条件，聚变反应堆被相同的增殖包层模块环绕，模块中的中子通量在环向和极向上均匀对称。ITER中TBM模块是被屏蔽层围着，在频谱轮廓上呈现明显的峰值，和DEMO有很大的区别。所以，比较和验证DEMO条件下的包层设计需要仔细的中子传输计算和确认，这会是发展包层功能材料的重要的步骤。
另一个ITER和DEMO主要的不同是，产生平顶状态的实验（400秒典型状态和至少1000s的混合状态）。氚释放性能会在He/H成分清理剂循环下，通常需要几个小时才能将残剩的氚转移。图三展示了气态清理剂下氚的浓度。部分氚会被清理剂带入燃料系统中，氚释放的峰值和等离子体中子释放高峰相对应。另一部分会留在增殖层中。在生成氚的循环中管道和其他材料的内表面都具备一定的氚的吸收和吸附能力。因此TBM模块在实验中并不能完全展现其氚恢复能力。氚释放率的的基准会有误差。氚增殖材料的性能会以相同的中子输入条件评估实际氚产量，这项指标不仅仅和增殖剂核反应特性相关，也和烧结球球床，混合氚清理剂条件下，氚在材料中的溶解吸收扩散以及化学环境相关。除了ITER，当前只有极少的14MeV中子源。计划建设的立体辐照源只有国际聚变材料辐照设施（IFMIF），它可以提供中心面积为50mm*200mm的14MeV中子的中流量辐照条件。近似的中子场下的实验，对由氚增殖剂和中子倍增剂组成的模块很重要的。
图3 JA WCCB TBM以400s脉冲、30min间隔运行后，吹扫气体中氚浓度和预测温度
图4 TBM近端部温度分布
包层的的高热的释放与传递是测试和发展的另一个讨论方向。图6显示了主要由核反应释放热影响的ITER条件下TBM模块的预期温度图像，以及预估的温度变化。增殖层和中子倍增剂的主要功能之一是将中子的能量从聚变能转成热能，在之后转换成电能。增殖层中，大量放热的反应（1）释放除的热量形成了图四中最陡的温度曲线部分。包层中热容量大且导热差，ITER条件下，要达到平顶状态，400s的脉冲时间过短，达不到完全的高热条件。氚增殖剂和中子倍增剂在最高的温度和最大温度变化率下的实验结果是包层运行中的极限条件。图 5 假定模块将用内部热源预热，一旦 ITER 中的等离子燃烧开始，热源就会关闭，以保持稳定的热平衡。
图5 日本WCCB TBM以400s脉冲、300min间隔运行后的温度变化
另一方面，这种快速的温度变化可能使寻找DEMO或反应堆的材料变得更加困难。主要考虑到动力系统中的蒸汽发生器和其他部件，在DEMO实际测试条件下，测试将从较低水平的聚变反应和温度开始渐渐的增加。当DEMO环境到达稳定状态（或者脉冲反应堆中很长的脉冲），包层温度会趋于稳定，循环的数目和ITER的TBM实验相比明显的减少。
第一个ITER 的TBM模块不会接受中子辐照，只是电磁模块。而第一个DEMO包层和稳定工作满负荷工作的设计目标相差甚远。从以上的重要的DEMO实验，可能在未来的几年，包层材料最好从低聚变功率开始逐渐增加中子通量进行测试。关键的包层设计和材料选择可能会在下个解读按有所不同。因为这个阶段的实验仅会在较低温度和脉冲辐照下进行。在全功率测试条件下，产氚燃料可能的选择是低温增殖剂。lt;
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