高级锆合金能够满足融合反应堆中结构材料的需求亚博网站下载

设计可以在融合反应堆内承受极端环境的先亚博网站下载进材料是该技术领域发展的关键。为了调查满足融合反应堆设计结构需求的新锆合金的开发，研究论文已发表在核材料杂志亚博网站下载。

学习：高温锆合金用于融合能。图片来源：efman/shutterstock.com

亚博网站下载材料和融合反应堆设计

由于核融合的能力而无需放射性副产品的增殖，因此近年来核融合已得到广泛的研究。在融合中，将两个元素融合在一起以释放能量。目前，融合的最佳候选者是氘-Tritium反应。氘和tri是两个同位素的两个同位素，当融合时会产生氦气，自由中子和能量。当前，对融合反应器进行评估的设计是演示，步骤和迭代。

在融合反应堆中，中子效率挑战与裂变反应不同。必须不断补充tri虫，以维持融合反应的长期效率。这是通过通过非弹性中子散射繁殖tritium来实现的。由于反应在升高的温度下发生并受到热蠕变的影响，因此需要在温度升高的同时保持低热中子横截面的材料。亚博网站下载

中子横截面⁶Li育种T（蓝色实线），⁵⁶Fe非弹性散射（红色虚线），⁹⁰ZR非弹性散射（黑色虚线）。图片来源：King，DJW等人，核材料杂志亚博网站下载

选择具有优质结构和热性能的材料对于亚博网站下载融合反应器组件的安全和最佳设计至关重要。融合反应堆设计的一个关键要素是育种毯，它可以保护反应器仪器免受辐射。育种毯由一组覆盖融合反应器容器内部的模块组成，必须承受极端温度和强烈的中子通量。此外，它确保最大的反应器效率。

亚博网站下载作为育种毯设计的候选者探索的材料包括钒，铁，硅和铬的合金和复合材料。最近的研究表明，如果用作演示样反应器中育种毯的第一壁中的结构材料，则锆（ZR）是有利的候选者。

锆的优势

锆已经在裂变反应堆应用中被用作材料已有六十年了。如今，许多锆合金被用作轻水裂变反应堆中的燃料覆盖和组件。常见合金包括ZR-2.5，Zirlo^TM值，以及锆石-2和–4。这些合金的成功很大程度上是由于其热中子吸收的较小横截面相对于其他结构材料元素。

较小的热中子吸收横截面的优点是，它允许中子的可用性更高，从而维持裂变反应的关键性。其他材料需要亚博网站下载进一步的丰富，这可能在财务上成本高昂。但是，由于融合反应在升高的温度下发生，并且在操作过程中发生了固有的热蠕变，因此当前的锆合金不足。

简单球的几何形状（不缩放）的横截面，在繁殖者毯子（外部球体）周围环绕着第一壁（内圆），并通过真空与中子点源（中圆）分离。图片来源：King，DJW等人，核材料杂志亚博网站下载

调查当前的锆合金并解决问题

在发表在核材料杂志亚博网站下载，作者研究了几种目前可商购的锆合金，包括二进制合金，例如ZR-V和ZR-SI合金，以及ZR-NB-TI和ZR-MO-SN等高阶合金。得出的结论是，通过进一步的研究，高阶合金可以显示出有利的热和结构特性（例如强度和延展性），同时保持较低的热中子横截面。

但是，目前，在操作过程中发生的温度升高的这些合金的性能存在不完整的数据。在融合反应堆中，温度很容易达到500-700^oC.当在液态金属或氦冷冷的育种毯中使用时，预计由锆合金组成的任何结构材料都将显示出优质的热和机械性能。

作者研究了当前可用的锆合金，得出的结论是，使用ZR-4作为育种毯结构材料将显着提高tri菌育种比率。尽管这比其他候选者（例如V-4CR-4TI）要好得多，但在温度升高的情况下仍然存在强度，热蠕变性和疲劳性质的问题。此外，杂质会导致互惠问题，从而促进对屏障涂料的需求。

周期表显示了在演示第一墙环境中进行2个全功率年照射后100年衰减冷却后，每个元素的总贝克雷尔活性。每个元素的颜色根据BQ∙kg反映活动^-1传说，但绝对值也被赋予每个元素符号下方。图片来源：King，DJW等人，核材料杂志亚博网站下载

候选锆合金（例如水性环境中的耐腐蚀性较差）以及未抛光成分中的延展性问题发生的其他问题。尽管一些研究的合金表现出良好的室温性能，例如延展性，高强度和因温度升高引起的软化性，但该研究得出结论，要解决这些缺点，任何进一步的发展都应包括对NB，O，A Al和等其他物种的合金化。sn。

此外，作者得出的结论是，可能很难生产符合融合反应堆育种组件的机械性能和核废料生产要求的ZR合金。为了利用锆合金的中子效率优势来繁殖trip的中子效率优势，将需要“相当可行的”方法。此外，作者指出，需要进一步的成本效益分析，对三叶饲养者毯子的锆材料进行进一步的分析。亚博网站下载

进一步阅读

King，DJW等。（2021）高温锆合金用于融合能[在线的]核材料杂志亚博网站下载|亚博老虎机网登录ScienceDirect.com。可用网址：https://www.亚博老虎机网登录sciendirect.com/science/article/pii/s0022311521006516

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