《Tungsten》--刘翔 研究文章：再结晶效应对高热负荷下偏滤器钨材料的影响

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摘要

未来聚变堆偏滤器将面临高达20 MW·m⁻²的超高热负荷，将导致钨材料发生再结晶，根据ITER材料手册，发生再结晶后的钨材料在低温段（<450℃）表现出明显脆性，在高温段（>450℃）其强度将大幅度降低，但延伸率会增加、塑性会增强。最近，成都核工业西南物理研究院刘翔研究员课题组对类ITER（国际热核聚变实验堆）穿管偏滤器进行了有限元分析，对ITER级纯钨的两种状态（去应力钨和再结晶钨）分别进行了热-结构分析，并基于SDC-IC《ITER真空室内部件结构设计准则》，对两种状态的纯钨材料进行了递进变形破坏和疲劳寿命的评估。除此之外，本文还阐述了稳态热负载条件下不同再结晶温度对偏滤器钨材料的热机械行为的影响分析。结果表明，发生再结晶后，钨材料的热应力很大程度上通过更大的塑性应变得以缓释，然而，由于大的塑性变形量将导致材料发生低周应变疲劳破坏，再结晶钨在20 MW·m⁻²的循环热负荷下较去应力钨更容易发生递进变形破坏，疲劳寿命也更低；另外，由于具有较低再结晶温度的钨材料在高温下变形较具有高再结晶温度的钨材料更为严重，具有更低的再结晶温度的钨材料更容易产生裂纹，因此，发展具有高再结晶温度、高强度、强韧性的先进钨基材料对未来聚变堆超高热负荷偏滤器具有重要意义。

本文工作为研究偏滤器钨材料在未来聚变堆超高热流工况下的热力学行为特征创建了基础。

该工作发表于英文期刊《Tungsten》上，标题为“Influence of recrystallization on tungsten divertor monoblock under high heat flux”。

图文详情

图 1 展示了ITER穿管偏滤器1/4模块结构参数优化前后模块的温度分布对比，模块在20 MW·m⁻²高热负荷下的最高温度由ITER结构的2151 ℃降为1798 ℃。大量热负荷实验表明，由于钨瓦到铜管之间具有很大的温度梯度，宏观纵向大裂纹容易在此处产生，因此对钨瓦中心处以及铜管顶部温度进行监测，结果表明，经过结构优化之后，此处的温度梯度由1471 ℃降为1201 ℃。

图 1 穿管偏滤器模块优化前（左）后（右）温度分布对比 

图 2展示了具有两种状态钨材料的优化后穿管模型在循环热负荷下温度、x方向正应力随时间变化的曲线，每个周期的循环热负荷加载曲线包括2s倾斜升温段、8s稳定加热段、2s倾斜降温段以及8s冷却段。可以看出，在钨材料发生再结晶效应后，模块的最大应力大大降低，去应力钨材料的最大应力为393MPa，再结晶钨材料的最大应力为111MPa，最大应力发生时刻在2s倾斜降温段的结束时刻。

图 2 a. 顶部热流加载曲线；b. 模块最高温度时间曲线；c. 去应力钨瓦顶部中心点x方向正应力时间曲线；d. 再结晶钨瓦顶部中心点x方向正应力时间曲线

材料的塑性变形会随着周期发生累积效应，随着循环次数的增加，其永久变形累积值逐渐增大，并将最终导致材料失效，这种失效模式即为递进变形破坏。图 3给出了两种状态的钨材料在循环热负荷下的最大等效应变时间曲线，通过材料的延伸率和最大等效应变幅可初步估计去应力钨的递进变形寿命约为19532次，而再结晶钨约为117次。同时，基于SDC-IC和e-N曲线对两种状态的钨材料进行了应变疲劳寿命的预估，去应力钨的疲劳寿命>1E6次，而再结晶钨约为1000次。

图 3 最大等效应变时间曲线

图 4展示了不同再结晶温度对钨材料热机械行为的影响，在20 MW·m⁻²高热负荷下，面对等离子体壁面将部分发生再结晶，随着再结晶温度的降低，再结晶区域范围增加，材料最大塑性变形量也将增加。

图 4 a. 穿管模块温度分布图，红色虚线为1500℃等温线，黄色虚线为1300℃等温线，绿色虚线为1150℃等温线；b. 去应力钨的x方向主应力分布图与等效塑性应变分布图 c. 再结晶温度为1500℃时的x方向主应力分布图与等效塑性应变分布图；d. 再结晶温度为1300℃时的x方向主应力分布图与等效塑性应变分布图; e. 再结晶温度为1150℃时的x方向主应力分布图与等效塑性应变分布图

总结与展望

本文以ITER穿管偏滤器为原型，通过有限元方法分析再结晶效应对偏滤器钨材料热机械行为的影响，并基于SDC-IC准则评估材料寿命，为研究偏滤器钨材料在未来聚变堆超高热流工况下的热力学行为特征创建了基础。

全文链接

https://link.springer.com/article/10.1007/s42864-021-00126-1

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内容为【钨科技英文 Tungsten】公众号原创，供稿人：刘翔。

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