中國氦冷固態增殖劑實驗包層模塊材料研究進展

盛 倩，吳姝琴，王曉宇，郁 杰，廖洪彬，鞏保平，楊國平，趙奉超，羅曉芳，錢小勇，羅德隆

(1.中國國際核聚變能源計劃執行中心，北京 100037；2.核工業西南物理研究院，四川 成都 610041；3.中國科學院 核能安全技術研究所，安徽 合肥 230031)

氚是人造核素，作為氘-氚核聚變反應堆所必需的燃料之一，通常采用中子與鋰的核反應獲得。在未來核聚變反應堆中，為補充氚的消耗，需要在核聚變堆的包層中進行氚的“在線增殖”，以維持核聚變反應的持續運行。因此，“氚增殖與自持”是維持核聚變堆穩態運行所必須解決的關鍵技術。國際熱核聚變實驗堆(ITER)裝置是世界上第一個熱核聚變實驗堆，該裝置不僅能用來集成驗證聚變能源的科學可行性，而且提供了一個真實的氘-氚聚變中子環境，可用來驗證聚變示范堆的關鍵工程技術。作為ITER三大工程目標之一，ITER計劃實驗包層項目(TBM項目，又稱氚增殖包層項目)旨在驗證聚變堆條件下氚的在線增殖和能量提取技術。

我國于2009年確定采用以高溫高壓氦氣為冷卻劑、正硅酸鋰陶瓷球床為氚增殖劑、金屬鈹球床為中子倍增劑、低活化鐵素體/馬氏體鋼(RAFM鋼)為結構材料的中國氦冷固態增殖劑實驗包層模塊(HCCB TBM)概念參與ITER TBM計劃[1]。因此，HCCB TBM主要包括兩大類材料，即作為結構材料的RAFM鋼和作為功能材料的氚增殖劑正硅酸鋰小球及中子倍增劑鈹小球。2015年，HCCB TBM完成了概念設計評審，當前處于初步設計階段[2]。本文對HCCB TBM涉及的這些結構和功能材料的研究進展進行綜述，為相關材料的進一步研究提供參考。

1 結構材料

聚變堆包層結構材料所處的環境較為惡劣，對材料性能的要求相對較高。目前普遍認為，包層結構材料需要滿足以下幾個基本要求：中子截面小、低活化、力學性能穩定，且具有足夠的韌性、塑性、強度及高溫蠕變強度；具有較好的抗高能中子輻照能力[3]。RAFM鋼因其較低的熱膨脹系數、高的熱導率、優良的抗腫脹和抗輻照脆性能力成為未來聚變堆包層等部件的候選結構材料[4]。RAFM鋼的發展歷史可追溯到20世紀80年代。目前，各國開發的優良RAFM鋼包括美國的9Cr-2WVTa、日本的F82H、歐洲的EUROFER97、中國的CLAM和CLF-1等。HCCB TBM結構材料同樣選用RAFM鋼，且有兩種備選材料，分別是由核工業西南物理研究院開發的CLF-1鋼和中國科學院核能安全技術研究所開發的CLAM鋼。兩種鋼材研制總體發展進度接近。

1.1 成分設計

RAFM鋼的主要合金元素為Cr、W、Ta、V、Mn等。這些合金元素在各類RAFM鋼中含量變化幅度都較小，但各合金的性能，尤其是韌脆轉變溫度(DBTT)卻有較大差別[5]。為滿足低活化、高韌性、高塑性、高溫蠕變強度、較好的抗腐蝕性能等要求，在RAFM鋼設計中會嚴格控制各合金的元素成分和含量。Cr能提高RAFM鋼抗高溫氧化腐蝕、高溫屈服強度和抗蠕變性能。W能顯著提高材料的再結晶溫度、高溫屈服強度和抗蠕變性能，但W含量過高將會在晶界形成Laves相(Cr，Fe)2W，導致在缺口沖擊試驗時成為裂紋源。Ta與C、N等能形成碳氮化物，在固溶處理時釘扎奧氏體晶界，從而起到細化晶粒的作用，但Ta含量過高一方面會形成太多的碳化物引起脆性斷裂[5]，另一方面會因為吸收了太多的C而不能保證合金在形成馬氏體時所需的C含量。V的加入可更好地細化晶粒，形成MX相，釘扎位錯和馬氏體板條界，提高材料抗蠕變性能。Mn能有效提升材料的韌性。而對于長周期高感生放射性元素如Mo、Ni、Nb、Co等，以及對材料性能有危害的元素如O、S、P、As、Sn、Sb、Zr、Si等，均需要嚴格限制。國產RAFM鋼CLF-1和CLAM在設計上均基于此理論。兩種鋼的主要合金元素一致，主成分差異主要表現為：CLF-1鋼為含氮RAFM鋼，氮的質量分數控制在0.015%～0.040%；而CLAM鋼成分設計中氮的質量分數≤0.02%。各種長周期感生放射性元素都控制在100 ppm以下，滿足低活性的要求。

1.2 性能測試評價

在HCCB TBM生產制造前，必須對結構材料的各類性能進行測試評估，包括生產工藝、成分、微觀組織、常規力學性能、物理性能、韌脆轉變溫度、疲勞性能、蠕變性能、高溫長時時效性能以及與冷卻介質的兼容性和與氚的相互作用等。

材料生產工藝、成分、微觀組織以及常規力學性能方面，CLF-1鋼和CLAM鋼均已在核聚變專項標準[6-8]中規定。物理性能方面，CLF-1鋼和CLAM鋼均已完成了密度、彈性模量、泊松比、熱膨脹系數、熱導率、電導率及磁導率等物理性能從室溫到600 ℃左右的數據測量，如表1所列，這些性能滿足HCCB TBM設計使用需求。

表1 CLF-1鋼和CLAM鋼的物理性能Table 1 Physical properties of CLF-1 steel and CLAM steel

強度是包層設計的直接輸入參數，CLF-1鋼與CLAM鋼均已測得大量從室溫到650 ℃的強度數據，這些數據與法國RCC-MRx規范(核裝置機械部件設計和建造規則)中EUROFER數據相當[9-12]。

沖擊性能是壓力容器用材料必須考核的一個性能指標，作為包層結構材料，韌脆轉變溫度是RAFM鋼的一個關鍵技術指標。目前，5噸級工業化生產CLF-1鋼和CLAM鋼的韌脆轉變溫度均可達到-60 ℃以下[10,13]。

疲勞性能可反映材料承受周期載荷的能力，也是TBM在脈沖條件下必然要承受的載荷形式。CLF-1鋼和CLAM鋼均已評估了從室溫到600 ℃不同應變條件下的疲勞性能，并建立了Manson-coffin模型預測曲線，為HCCB TBM設計提供了數據支撐[1]。

材料的蠕變性能是結構設計中必須參考的一個參數，同時其也表征著材料的高溫長時使用性能。國內RAFM鋼已開展了500、550、600 ℃不同應力水平的蠕變性能測試，最長測試時間大于1萬小時[13-15]。基于當前HCCB TBM結構設計和熱力耦合計算，國內RAFM鋼基本滿足HCCB TBM設計使用要求[16]。但當前RAFM鋼蠕變性能測試數據較少，缺乏系統性，需進一步完善以驗證結果的準確性和可靠性。

由于RAFM鋼將長時間運行在高溫高壓環境中，因此需要評估高溫長時時效下材料的穩定性。CLF-1鋼已開展了550 ℃下最長11 000 h的時效試驗，并評估了時效后材料組織、強度和DBTT等特性。結果表明，時效對材料強度和塑性的影響較小，而材料的DBTT從初始態的-60 ℃升高到10 000 h時的-30 ℃左右[10,17]。CLAM鋼經過600 ℃和650 ℃下5 000 h處理后，DBTT分別為-10 ℃和-20 ℃[18]。

HCCB TBM為氦氣冷卻回路，涉及到氦氣與結構材料的兼容性問題。CLF-1鋼在99.9%He+0.1%H2、500 ℃、8 MPa運行環境中保持超過100 h，未發現材料與氦氣發生相互作用，僅有輕微氧化[10]。氚兼容方面的研究表明，CLAM鋼和CLF-1鋼均能在400 ℃以下脫附75%以上的氚[19]。

1.3 工業化生產及工藝

目前，CLF-1鋼和CLAM鋼均已完成5噸級工業化鑄錠生產技術及不同厚度軋板、鍛板和棒材的制備技術研究。在大尺寸鑄錠熔煉工藝方面，兩種鋼均采用真空熔煉(VIM)后再二次重熔的兩聯工藝。CLAM鋼主要采用VIM+VAR(真空自耗重熔)生產工藝[18]，而CLF-1鋼主要采用VIM+VAR和VIM+ESR(電渣重熔)兩種生產工藝開發[10]。

在型材制備方面，CLF-1鋼和CLAM鋼均進行了軋板的制備工藝開發，厚度均達到了55 mm。針對TBM的制備需要，CLF-1鋼研制了不同直徑(φ70～110 mm)的棒材以及130 mm厚的鍛板。CLAM鋼也進行了小方管的制備工藝開發。CLF-1鋼和CLAM鋼兩種型材的生產能力如表2所列。

表2 CLF-1鋼和CLAM鋼型材的生產能力Table 2 Production capacity of CLF-1 steel and CLAM steel

1.4 連接技術

CLF-1鋼和CLAM鋼開展了熱等靜壓(HIP)焊接、激光焊接(LBW)、電子束焊接(EBW)以及鎢極氬弧焊接(TIG)等焊接工藝開發。CLF-1鋼激光焊接厚度范圍為5～17 mm[20]，并實現了30 mm的激光填絲焊接工藝開發[21]。CLF-1鋼電子束焊接重點解決了超厚板(厚度大于30 mm)焊接及焊后熱處理工藝問題[22-24]。CLAM鋼方面，開展了不同連接工藝和焊后熱處理的試驗研究，分析了其焊接裂紋敏感性，獲得了焊接過程中避免裂紋產生的臨界預熱溫度和臨界冷卻速度以及臨界應力；研發了CLAM鋼專用焊絲，降低了焊縫中的殘余鐵素體含量，并改善了接頭的沖擊性能；掌握了CLAM鋼不同焊接方式下的連接特性及焊接特性，并獲得了接頭的拉伸、沖擊、疲勞等性能數據[25-28]。

2 功能材料

2.1 氚增殖劑

氚增殖劑是解決聚變堆中氚自持問題的關鍵功能材料，主要通過聚變反應產生的中子與氚增殖劑中的6Li發生核反應產生氦和氚實現氚的增殖。一般氚增殖劑為含鋰的材料，分為液態和固態兩種。液態氚增殖劑主要為液態鋰及液態鋰合金，如金屬鋰、鋰鉛合金(Li17Pb83)和氟鋰鈹熔鹽(Li2BeF4)等。固態氚增殖劑主要集中在鋰基陶瓷材料，主要包括Li4SiO4、Li2TiO3、Li2ZrO3、LiAlO2和Li2O等。液態鋰及鋰合金等的氚增殖比大、導熱性能較好、氚回收便利，既可作氚增殖劑也可作冷卻劑，產氚包層結構設計簡單，但存在液態金屬易腐蝕結構材料、易泄漏、存在磁流體動力學(MHD)效應等問題。固態鋰基陶瓷氚增殖劑最大的優點在于化學性質穩定、安全性較好及無磁流體效應，但其包層結構設計相對復雜。

目前的ITER TBM計劃中，固態和液體氚增殖劑均有涉及，其中中國的HCCB TBS和韓國/歐盟的HCPB 或 HCCR TBS選用正硅酸鋰(Li4SiO4)陶瓷小球，日本的WCCB TBS選用鈦酸鋰(Li2TiO3)小球，歐盟的WCLL TBS選用液態Li-Pb。

從氚增殖劑產氚的角度考慮，氚增殖劑材料應具有以下特點：高鋰原子密度、高導熱性、高能中子輻照下高輻照穩定性與優良的氚釋放和提取性能(氚釋放速率大、氚滯留量低，則氚提取容易)。國內目前主要集中于固態氚增殖劑材料的研究，包括正硅酸鋰(Li4SiO4)和鈦酸鋰(Li2TiO3)，以及基于兩者的改性新型氚增殖劑，如正硅酸鋰-鈦酸鋰復相陶瓷、核殼狀氚增殖劑小球等。

針對基于固態氚增殖劑的產氚包層，氚增殖劑還需滿足可實現包層實時換料、具有較好的傳熱性能、利于氚的釋放和提取、降低熱梯度和熱應力、緩解輻照腫脹效應、有利于復雜產氚包層結構裝配等嚴苛的設計要求。由于球形顆粒狀氚增殖劑材料具有裝卸料容易、具有利于氚釋放的更大的比表面積、有利于氚提取的顆粒之間的多孔通道、顆粒材料可緩解熱膨脹和輻照腫脹效應等優點，在目前ITER TBM計劃中固態產氚包層均采用球形鋰基陶瓷顆粒作為氚增殖劑。固態氚增殖劑小球的一般性能要求列于表3，幾種常用固態氚增殖劑的基本性能參數列于表4。其中Li2O的Li原子密度最高，無需中子倍增劑即可獲得足夠高的氚增殖比(TBR)，但其穩定性較差，易與水發生反應。LiAlO2的穩定性最好，但相比其他增殖劑，其氚增殖性能和氚釋放性能較弱。Li2ZrO3具有較好的抗輻照性能和較高的氚增殖和釋放性能，但Li2ZrO3存在9種不同的相，較難制備單相Li2ZrO3陶瓷。Li2TiO3具有與Li2ZrO3相似的特性，且化學穩定性高，不與水反應，所以在水冷包層中多選用Li2TiO3作為氚增殖劑。而Li4SiO4的鋰原子密度僅次于Li2O，具有良好的化學穩定性、輻照穩定性和機械穩定性，較低的氚釋放溫度和較全面的性能數據。此外，陶瓷、核殼狀氚增殖劑小球等的研發，但整體工藝不夠穩定、性能數據不全，仍需大量研發工作。因此，中國HCCB TBS中選用綜合性能較好、數據較全面的Li4SiO4陶瓷小球作為氚增殖劑。同時為保證高效產氚，Li4SiO4陶瓷小球需具備密度高、 粒度分布窄、球形度高、強度大、晶粒小、雜質少、開孔結構豐富以及氚釋放性能優異等特點。

表3 固態氚增殖劑小球的一般性能要求Table 3 General requirement for solid tritium breeder

表4 常用固態氚增殖劑基本性能參數[29-30] Table 4 Basic property parameter of common solid tritium breeder material[29-30]

1) 氚增殖劑正硅酸鋰小球的制備

氚增殖劑正硅酸鋰小球的制備工藝中主要包含氚增殖劑粉末的制備和陶瓷小球的制備。近十幾年來，國內已研發出多種氚增殖劑陶瓷微球的制備工藝，有的制備工藝直接使用原材料制備氚增殖劑陶瓷小球，有的則需要預先制備氚增殖劑粉末然后制備陶瓷小球。目前氚增殖劑粉末的制備工藝主要有固相反應法、溶膠凝膠法、水熱法等，其中固相反應法制備氚增殖劑正硅酸鋰粉末的工藝最為成熟[29]。氚增殖劑陶瓷小球的制備工藝主要有熔融噴霧法[31-33]、濕法工藝(冷凍濕法工藝、溶膠-凝膠濕法工藝等)[34-36]、石墨球床法[37]、擠出滾圓法[38]等。各種工藝方法在制備過程中各有利弊，當前主流的正硅酸鋰小球制備工藝及主要性能列于表5。從表5可看出，幾種工藝制備出的氚增殖劑小球的性能有所差異，但不易制得各項性能均優異的氚增殖劑。目前濕法工藝、擠出滾圓法、石墨球床法等制備的氚增殖劑正硅酸鋰小球密度較低(80%～90%理論密度)，熔融噴霧法制備的氚增殖劑小球密度最高，可達到95%TD(理論密度)以上。需要說明的是，高密度氚增殖劑有助于提高固態包層的產氚率，更有利于實現聚變堆燃料氚的自持。目前中國HCCB TBM中主要采用熔融噴霧法制備氚增殖劑正硅酸鋰小球。

表5 不同工藝制備的正硅酸鋰小球性能Table 5 Properties of lithium orthosilicate spheres prepared by different processes

熔融噴霧法是將陶瓷原料在坩堝加熱裝置中加熱至熔化，熔融態的氚增殖劑從坩堝穩定流出，在噴嘴處隨氣流流出或被氣流吹散成許多熔融態的小液滴，在表面張力作用下形成球體，然后在重力下降過程中快速冷卻凝固成陶瓷小球，該方法可以制備直徑在0.5～1.2 mm的微球。核工業西南物理研究院的馮勇進等和昆明理工大學的胡勁等采用熔融噴霧法制備出開孔隙率5.2%、閉孔隙率0.75%、比表面積1.095 m2/g、密度≥94%TD(TD=2.4 g/cm3)的Li4SiO4小球[31]。中國工程物理研究院核物理與化學研究所也建立了基于熔融噴霧法的Li4SiO4小球制備裝置，并成功制備了Li4SiO4小球。目前，采用熔融噴霧法制備氚增殖劑硅酸鋰小球的生產能力可達到100～200 kg/a。

熔融噴霧法制備工藝既可以采用一步法直接使用Li2CO3和SiO2作為原料制備正硅酸鋰小球，也可以采用兩步法先制備正硅酸鋰粉末，然后通過熔融噴霧制備正硅酸鋰小球。一步法工藝簡單、成本較低，但正硅酸鋰小球中會存在少量Li2CO3殘留和Li2SiO3相。兩步法中增加了Li4SiO4粉末的制備工藝，增加了制備成本，但制備的正硅酸鋰小球的純度更高。熔融噴霧法制備Li4SiO4小球雖然工藝較簡單，但制造設備造價較高，而且快速冷卻固化的過程使得小球內部產生內應力，小球的壓碎強度較低，需要進行后續熱處理以降低陶瓷球內部的內應力并提高壓碎強度。

2) 固態氚增殖劑釋氚性能研究

鋰基陶瓷微球的性能影響著整個包層的氚增殖和氚提取性能，進而影響聚變反應堆中的能量提取和燃料氚的自持。產氚和釋氚是氚增殖劑材料的核心任務。在固態包層設計中，陶瓷氚增殖劑材料中的氚滯留量應足夠小，以使增殖的氚盡可能多地被提取，且保證包層中的總氚量不超過安全限值。因此，需要氚增殖劑具有盡可能快的氚釋放速率和盡可能低的釋放溫度。氚的釋放形態還應有利于氚的回收處理。

固態氚增殖劑釋氚的影響因素很多，釋氚行為研究的主要方法是開展釋氚實驗，包括在線實驗(堆內實驗)和離線實驗(堆外實驗)。在線釋氚實驗是將實驗樣品封裝在特制的容器中，然后置于裂變堆內進行輻照產氚，在產氚的同時進行釋氚行為研究。當實驗達到穩態時，樣品中產生的氚量即等于釋放的氚量。在線釋氚實驗可在不同的溫度范圍與載氣組分等條件下進行長期運行，因此能考察鋰的燃耗深度對釋氚行為的影響。這種實驗工況與陶瓷增殖劑在包層中的真實服役工況最為接近。因此，在線釋氚實驗數據具有非常重要的工程參考價值。離線釋氚實驗首先將實驗樣品封裝在密閉的容器中，然后放入裂變堆內進行輻照產氚，最后在堆外進行釋氚行為研究。在離線釋氚實驗中，樣品的輻照時間通常較短，因此鋰的燃耗較淺，一般只能代表壽期初的釋氚行為。但相比于在線釋氚實驗，離線釋氚實驗具有成本低、周期短和實施難度較小等特點，因此被廣泛應用于陶瓷增殖劑的釋氚行為研究，特別是針對基礎性科學問題。此外，通過離子注入技術將氚或氘離子注入氚增殖劑然后開展熱解吸實驗也是研究氚增殖劑釋氚行為的一種方式。

中國工程物理研究院的冉光明等[39]采用離線釋氚實驗方法，針對影響Li4SiO4釋氚行為的強磁場、表面雜質和材料屬性等因素展開了系統研究，并對Li4SiO4的釋氚動力學進行了深入分析，發現載氣組分、水蒸氣吸附和材料屬性等因素對Li4SiO4釋氚行為的影響更顯著，而強磁場對Li4SiO4釋氚行為的影響非常小。表面雜質對Li4SiO4釋氚行為的影響主要是水蒸氣吸附雜質的貢獻。水蒸氣吸附雜質的存在可促進氚在低溫區(<450 ℃)的釋放，并使氚的釋放峰呈現出水解吸的特征。根據上述實驗研究和動力學分析結果，影響Li4SiO4釋氚行為的關鍵因素主要包括溫度、載氣組分、晶粒尺寸、表面化學狀態和表面輻照缺陷等。中國工程物理研究院的肖成建等[40]開展了鋰陶瓷微球釋氚行為及其與輻照缺陷的相關性研究。采用熱中子輻照堆外離線釋氚的實驗方法，系統開展氚增殖劑的輻照釋氚行為及其影響因素研究，分析氚釋放過程的速控步驟，獲得了影響氚釋放行為的規律性認識。中國工程物理研究院的康春梅等[41]進行了鋰陶瓷增殖劑Li4SiO4表面釋氚行為研究，重點研究了晶粒表面反應對釋氚行為的影響。主要通過離線釋氚實驗研究了晶粒表面吸附解吸反應以及同位素交換反應對釋氚行為的影響，并根據實驗數據分析了各表面反應同時存在情況下的競爭機制及優先反應類型，研究結果為解釋文獻中關于鋰陶瓷增殖劑釋氚行為不同的現象提供了重要的實驗依據。

借助中國工程物理研究院和中國原子能科學研究院的裂變反應堆，我國正在開展固態氚增殖劑堆內在線輻照產氚實驗研究和氚增殖劑小球的堆內輻照實驗。總體上，國內對氚增殖劑釋氚性能的研究已經取得了階段性的成果，但整體研究仍不夠深入，固體氚增殖劑的釋氚行為和相關機理仍需要進一步研究。

3) 氚增殖劑球床性能研究

氚增殖劑陶瓷小球堆積在固態包層中形成穩定的堆積床，氚增殖劑球床的性能對固態包層的設計優化至關重要。目前，國內對氚增殖劑球床性能的研究尚處于初步階段，大多采用數值模擬的方式對球床性能開展研究。在實驗方面僅對球床的熱物理性能進行了初步的研究，實驗研究仍然不足。核工業西南物理研究院的馮勇進等[42]采用瞬態平面熱源法研究了非壓縮氚增殖劑Li4SiO4球床的有效熱導率、熱擴散系數和等效體積比熱，并開展了鋰基陶瓷微球和中子倍增劑鈹球壓碎強度、鈹球及球床熱膨脹性能的研究。另一方面，通過堆積實驗和離散元模擬開展了單尺寸球床和雙尺寸球床堆積性能的研究，分析了顆粒粒度大小及粒度分布、顆粒間摩擦系數和恢復系數、球床形狀和尺寸、顆粒填充工藝等對球床堆積性能的影響[43]。中國科學院等離子體研究所的陳磊等[44]采用離散元模擬方法研究了氚增殖劑球床的有效熱導率、機械性能及提氚氣體流動特性等。中國科學技術大學和華中科技大學分別采用熱探針法和穩態法開展了非壓縮Li4SiO4球床的有效熱導率的研究[45-46]。西安交通大學通過實驗研究了氚吹掃氣體氦氣通過球床后的沿程壓降，獲得了較好的結果[47]。中國原子能科學研究院在中國先進研究堆(CARR)上開展了堆內輻照環境下氚增殖劑球床有效熱導率的實驗研究[48]。以上研究為固態包層的設計提供了一定的支持，但國內仍亟需開展大量的實驗研究以補充球床性能數據，為固態包層的設計優化提供數據支撐。

2.2 中子倍增劑

1) 中子倍增劑鈹小球制備

未來聚變堆設計的重要目標之一是發展閉式燃料循環——反應堆自身能產生足夠的核燃料。在聚變堆中，每個中子至少產生1個氚，在產氚之前，損失掉一些中子，為增加中子通量，需要有效的中子倍增劑，維持每個中子產生氚的數目(氚增殖比)大于1。由于鈹具有較大的(n, 2n)反應截面，是良好的中子倍增劑材料。因此，在基于固體鋰增殖的聚變反應堆中，多選擇鈹作為中子倍增劑。在HCCB TBM模塊中即選用鈹小球作為中子倍增劑材料。

核工業西南物理研究院聯合西北稀有金屬材料研究院成功研制了高純真空熱壓鈹(CN-G01)，并通過ITER國際組織的認證，成為ITER三種可選鈹材之一。在研制鈹材的基礎上，核工業西南物理研究院聯合寶雞海寶特種金屬材料有限公司進一步采用等離子體旋轉電極工藝(REP)成功制備了金屬鈹小球，使我國成為除日本外第二個掌握該技術制備鈹小球的國家[49]。目前，采用等離子體旋轉電極工藝生產的鈹小球，成球率達到60%以上，球形度高、粒徑可控，綜合性能較好。但目前僅能達到每批次10 kg的生產規模，為了滿足未來聚變堆的需求，仍需要進一步開展低成本、規?；苽浼夹g的研究。此外，核工業西南物理研究院聯合寶雞海寶特種金屬材料有限公司基于旋轉電極工藝成功制備了鈹合金小球，但制備規模較小。由于鈹具有生物毒性，極大限制了中子倍增劑鈹及鈹合金小球在國內的研制。

2) 中子倍增劑鈹球及球床性能研究

國內關于鈹材料的輻照性能研究尚處于起步階段，特別是國產鈹材料的輻照性能研究數據更少。核工業西南物理研究院和中國科學院近代物理研究所合作開展了不同劑量的氦離子注入對國產鈹材(CN-G01)表面結構和性能的影響，分析了氦離子輻照引起的鈹表面起泡行為及其影響因素，初步研究了在金屬鈹表面注入氦離子對其性能的影響[50]。北京科技大學開展了氦和氬離子輻照鈹的微觀缺陷分析[51]，以及氦離子輻照對鈹鎢合金表面結構的影響[52]。

國內對鈹球床性能的研究尚處于初步階段，核工業西南物理研究院基于瞬態平面熱源法的裝置，初步開展了鈹球床常溫熱導率的測量，分析了鈹小球的機械性能、鈹小球及球床的熱膨脹系數，并通過堆積實驗和離散元模擬研究了鈹球床的堆積性能。中國科學院等離子體物理研究所和中國科學技術大學等主要以數值模擬和理論分析為手段研究了鈹球床的有效熱導率、機械性能以及內部提氚氣體的流動特性等。

由于鈹具有生物毒性，在高溫下會有少量蒸發，開展鈹相關的實驗對人員的安全防護要求較高，這在一定程度上限制了鈹小球及球床性能的相關研究。目前國內對鈹小球及鈹球床各項性能的研究仍然處于起步階段，尚未開展系統性研究。因此，亟需開展大量的實驗研究以補充數據，為固態包層的設計優化提供技術支持。

3 總結與展望

本文對中國氦冷固態增殖劑實驗包層模塊用結構材料RAFM鋼、功能材料氚增殖劑正硅酸鋰和中子倍增劑鈹的成分設計、制造工藝、性能數據的完整性、力學性能結果和服役性能評估等進行了分析。國內研發的這3種材料在ITER TBM使用層面，成分設計的合理性、制造工藝工業化程度和可靠性、設計所需性能的完整性等方面均已初步達到設計要求。

無論是結構材料還是功能材料，都將面對聚變實驗堆內較惡劣的服役條件，對材料的各項性能均有較高要求。而現有大量數據均為各研究單位分別測試和分析的結果，其數據可靠性以及系統性還需要進一步開展研究。結構材料方面，需要構建基于大量可追溯以及標準化測試的性能參數測試結果及數據庫。功能材料方面，對氚增殖劑球床性能的研究不足，需要進一步完善，包括熱機械性能、抗輻照性能、釋氚性能等；對鈹球床在高溫條件下的堆積性能、熱機械性能、熱物理性能等方面尚未開展實驗研究。這些內容應在下一步材料工程化認證和材料綜合性能測試中逐步開展并不斷完善，為中國氦冷固態增殖劑實驗包層系統的研發制造提供技術支持。同時，基于可靠及大量的生產及測試數據，可建立聚變堆設計用RAFM鋼材料、氚增殖劑材料和中子倍增劑材料的材料性能標準和數據庫，以支撐未來聚變堆設計研究。