面向等离子体壁材料的腐蚀行为与涂层防护综述

作者：龙海川; 邱长军^*; 郑鹏飞; 刘豪; 陈勇

来源：表面技术, 2021, 50(02): 123-133.

DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.02.013

• 面向等离子体材料
• 高温腐蚀
• 辐射损伤
• 蒸发/溅射
• 防护涂层

面向等离子体材料(Plasma Facing Materials, PFMs)可保护磁约束核聚变装置部件,使此部件不受芯部边缘等离子体的影响,但等离子体与壁相互作用(Plasma-Wall Interactions, PWI)所引起的高温腐蚀、辐射损伤和燃料滞留等问题已然成为先进核聚变装置的发展瓶颈。目前,低Z材料(C、Be)掺杂元素合金化、高Z材料(W、Mo)掺杂元素合金化以及不锈钢防护涂层是面向等离子体壁材料缓解等离子体作用的首选防护涂层。阐述了固体等离子体壁材料的一般腐蚀机制和常见PFMs的主要特征,发现热流等离子体作用下的壁蒸发和溅射是造成壁材料腐蚀的主要原因,而粒子辐照带来的组织结构缺陷将增强氢同位素在壁材料中的溶解与扩散,并随杂质共同沉积在壁材料表面。其次,重点综述了国内外关于等离子体作用下碳壁、钨壁、铍壁材料蒸发与溅射引起的腐蚀和碳氢结合的化学腐蚀原理,以及在此基础上开发出的碳基复合材料、钨基复合材料和不锈钢防护涂层等离子体壁材料的最新研究进展,对比发现高Z合金化的防护涂层和制备技术具有巨大的应用前景。最后分析了当前已开发的耐热腐蚀和等离子体相容性良好的壁材料亟待解决的一些关键基础问题,提出了未来PFMs的主要技术方向和发展趋势,期望为极端工况下服役的聚变反应堆新型防护涂层材料的研发提供重要参考。

• 单位
  南华大学; 核工业西南物理研究院