面向核聚变等离子体钨基材料9787312057786

吴玉程，男，1962年11月生，博士，材料学教授、博士生导师。德国斯图加特大学高级访问学者（2000—2002）。曾任合肥工业大学副校长（2008—2017）。现任中共太原理工大学委员会书记（2017.5—），中国材料热处理学会、中国功能材料学会副理事长等。为国家“先进能源与环境材料”国际科技合作基地、教育部“新材料界面科学与工程”重点实验室负责人等。担任《材料热处理学报》《煤炭高等教育》编委会副主任等。

在Nature Comm等刊物发表论文300多篇，主编国家精品课程《工程材料基础》教材1部，出版专著11部，授权发明专利50余项。主持研制的功能复合材料成功应用于“神六”“神七”载人航天通信与测控系统，并获得机械部教书育人特等奖、安徽省科技进步一等奖等。

前言

第1章 聚变能与面向等离子体材料

1.1 引言

1.2 聚变基本原理

1.3 核聚变方式

1.4 聚变能的发展

1.4.1 国外聚变堆装置与聚变能研究的发展

1.4.2 中国聚变能的发展

1.5 等离子体与材料的相互作用

1.5.1 杂质的产生

1.5.2 材料的损伤

1.6 面向离子体材料的选择

1.6.1 面向等离子体材料的性能要求

1.6.2 面向等离子体候选材料的特点比较

第2章 钨基面向等离子体材料

2.1 引言

2.2 聚变用钨基材料

2.2.1 钨在国际聚变装置中的应用

2.2.2 钨在东方超环中的应用

2.2.3 未来聚变堆钨材料的应用及挑战

2.3 新型钨基材料

2.3.1 合金化钨

2.3.2 钨-稀土氧化物复合材料（ODS-W）

2.3.3 钨-碳化物复合材料（W-CDS）

2.3.4 钨纤维增韧钨材料

2.3.5 层状增韧钨材料

2.3.6 自钝化钨合金

2.3.7 超细晶／纳米晶钨

2.3.8 钨铜功能梯度材料

2.3.9 钨涂层

第3章 聚变堆钨基材料的制备与加工

3.1 引言

3.2 不同纳米结构钨复合粉末的制备

3.2.1 Top-down技术

3.2.2 Bottom-uD技术

3.3 钨合金的烧结致密化

3.3.1 常规烧结

3.3.2 特种烧结技术

3.3.3 粉末活化预处理

3.4 钨材料的成形加工

3.4.1 轧制加工

3.4.2 旋锻成形

3.4.3 静液挤压

3.4.4 等通道角挤压

3.4.5 高压扭转

3.4.6 多向锻造

第4章 聚变堆钨基材料的强韧化

4.1 引言

4.2 钨的变形、断裂与强化机制

4.2.1 钨的变形机制

4.2.2 钨的断裂机制

4.2.3 钨的强化机制

4.3 钨的脆性问题

4.3.1 低温脆性

4.3.2 再结晶脆性

4.3.3 中子辐照效应

4.4 钨的脆性本源

4.4.1 化学键

4.4.2 位错可动性

4.4.3 实际材料的内部缺陷

4.4.4 晶界特征

4.4.5 解理断裂

4.5 钨的脆性解决途径

4.5.1 添加合金化元素

4.5.2 第二相掺杂

4.5.3 纤维增韧

4.5.4 层状增韧

4.5.5 大塑性变形

第5章 聚变堆钨基材料的辐照损伤

5.1 引言

5.2 钨材料的辐照损伤行为

5.2.1 氢同位素辐照钨材料损伤及滞留

5.2.2 氦离子辐照下钨材料损伤行为

5.2.3 中子辐照下钨材料损伤行为

5.2.4 重离子辐照下钨材料损伤行为

第6章 聚变堆钨基材料瞬态热冲击行为与损伤

6.1 引言

6.2 钨及钨合金的瞬态热负荷实验

6.2.1 瞬态热负荷实验模拟装置

6.2.2 商用钨的瞬态热负荷损伤行为

6.2.3 超细晶钨的瞬态热负荷损伤行为

6.2.4 合金化钨的瞬态热负荷损伤行为

6.2.5 弥散强化钨复合材料的瞬态热负荷损伤行为

第7章 聚变堆偏滤器钨铜模块制造与评价

7.1 引言

7.2 聚变堆用偏滤器

7.2.1 偏滤器的设计

7.2.2 偏滤器部件材料的选择

7.2.3 钨偏滤器与热沉的连接

7.2.4 ITER全钨偏滤器认证测试

7.3 国内外穿管型钨铜模块高热负荷测试

7.3.1 日本W／Cu-Monoblock测试评价

7.3.2 欧洲W／Cu-Monoblock测试评价

7.3.3 中国W／Cu-Monoblock测试评价

后记

第1章聚变能与面向等离子体材料

1.1引言

能源是人类活动和生产推进的物质基础,是国民经济发展的基础。相关报道称，目前化石燃料等传统能源储存量有限,甚至很多人预测，在可预见的未来传统能源即将枯竭。现有能源形式不仅产生环境污染,还有二氧化碳排放带来的温室效应等都是严峻的生态问题。作为替代能源,如太阳能、风能、潮汐能、生物能等,目前它们的输出产量和效率还不是很高。另外,相关专家已经注意到废旧电池处理利用和生态二次失衡等问题。对此,世界各国纷纷制定了碳达峰和碳中和的解决方案和时间表。

裂变能虽然缓解了能源供给的压力,但是其安全性和可靠性一直在困扰着政府和产业界,日本福岛核电站泄漏事故再次敲响了环境和安全的警钟。尽管从某种意义上来说，今天裂变反应堆的安全保障性有了很大的提高,但也只能作为一种过渡和补充能源,且已探明的裂变资源铀储量有限。目前,全世界已探明的铀资源约4.47X10 t,如果用于快中子堆可达上千年时间，,而用于热中子堆核电站仅可使用50年左右。

通过轻原子核的聚变反应产生的聚变能，作为理想的终极清洁能源,是解决人类能源问题的重要潜在办法，几乎不会带来放射性污染和排放等环境问题。整个地球有4.6X10L储量的海水,聚变反应燃料氘大量存在于海水之中。据估算,1L海水所含的氘元素用于聚变时可释放约1.1X1010J的能量,全球氚的能量总储量可达到5X108J,尔的存量可谓极其丰富,能供人类使用数百亿年。氚也可以通过中子与锂的反应获得,而且锂的储存也相对丰富。

通过人为控制,尔(氢的同位素)原子核在上亿摄氏度的高温条件下发生聚变，产生热核反应从而释放出巨大能量。核聚变反应产生的能量高于核裂变反应,其能量的产生能够依据人类需求进行控制。因此，聚变能可以用作清洁能源来进行输出和应用。

近年来,聚变堆技术已经取得了很大的进展,但是还要有待建成受控、自持的聚变反应堆,才能真正实现聚变能的应用。由于需要解决的技术和工程难题还有很多且复杂，聚变反应堆现在仍然处于工程技术可行性论证与验证阶段,验证起来相当困难。聚亦装置句含数以万计的部件,要能胜任高热负荷和高能辐照等环境,面向等离子体材料的选择和应用仍然是一个关键问题。

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