核聚變能的開(kāi)發(fā)與利用是國(guó)家的重大戰(zhàn)略需求，在可控核聚變發(fā)展中，開(kāi)發(fā)用于未來(lái)聚變堆的材料與部件是當(dāng)前的緊要任務(wù)，其中直接面向聚變等離子體的第一壁材料與部件的研發(fā)更是關(guān)鍵難題。深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院王興立副教授團(tuán)隊(duì)在聚變堆鎢基面向等離子體壁材料與部件的制備關(guān)鍵技術(shù)上取得重要突破。

與傳統(tǒng)的粉末冶金制備純鎢、機(jī)加工鎢片、鎢鋼焊接得到第一壁部件的方法不同，團(tuán)隊(duì)采用爆炸噴涂技術(shù)一步可同時(shí)實(shí)現(xiàn)鎢的制備與鎢-鋼連接。首先，利用爆炸噴涂成功在鋼基底表面沉積出高致密度(孔隙率<1%)、高結(jié)合強(qiáng)度(>50 MPa)、高硬度(870HV0.1)、無(wú)氧雜質(zhì)檢出的毫米級(jí)厚鎢涂層;其次，利用爆炸噴涂研制出低中子活化的純鐵中間層，由此開(kāi)發(fā)出鎢/鐵/鋼第一壁結(jié)構(gòu)件并完成小批量試制，試制品成功通過(guò)ITER(國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆)標(biāo)準(zhǔn)下的第一壁部件高熱負(fù)荷服役性能測(cè)試，形成經(jīng)濟(jì)的鎢-鋼第一壁部件制備技術(shù)路線;此外，還利用噴霧干燥造粒與爆炸噴涂相結(jié)合的方法研制出鎢-鋼功能梯度層結(jié)構(gòu)的第一壁試制樣，試樣成分結(jié)構(gòu)與預(yù)期一致，整體結(jié)合強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，且相比鎢/鐵/鋼第一壁結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更卓越的耐高熱負(fù)荷沖擊性能，由此形成理想的鎢-鋼第一壁部件制備技術(shù)路線。

上述系列成果標(biāo)志著該團(tuán)隊(duì)已掌握較為成熟的聚變堆包層第一壁鎢制備技術(shù)，這將為國(guó)內(nèi)聚變堆建設(shè)以及聚變能發(fā)展提供重要臂助。據(jù)悉，該技術(shù)還有望用于未來(lái)聚變堆包層第一壁表面損傷區(qū)域的堆內(nèi)原位修復(fù)，以及發(fā)展基于光纖傳感技術(shù)的堆內(nèi)部件運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，可在未來(lái)聚變堆的運(yùn)維上發(fā)揮重要作用。

先進(jìn)的聚變堆面向等離子體材料與部件是制約當(dāng)前核聚變堆建設(shè)、影響未來(lái)聚變堆長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。王興立副教授介紹，包層第一壁是聚變堆內(nèi)部直面等離子體的部件，占據(jù)堆內(nèi)表面絕大部分面積，主要由大面積曲面的鋼結(jié)構(gòu)件與其表面的鎢鎧甲層組成。由于鎢、鋼在熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)等熱物理性能上相差太大，導(dǎo)致二者連接非常困難，特別是在大面積三維曲面鋼表面覆蓋全鎢鎧甲層，其制備以及未來(lái)在聚變堆中的原位修復(fù)是當(dāng)前聚變領(lǐng)域亟待攻克的技術(shù)難題。

其團(tuán)隊(duì)基于爆炸噴涂技術(shù)，不僅研制出高性能鎢涂層、純鐵中間層、鎢-鋼功能梯度層，研制出的鎢/鐵/鋼第一壁結(jié)構(gòu)還通過(guò)了ITER標(biāo)準(zhǔn)下的1000次1 MW/m2穩(wěn)態(tài)高熱負(fù)荷疲勞測(cè)試，達(dá)到ITER服役要求，在國(guó)際上領(lǐng)先。與焊接類方法相比極大簡(jiǎn)化了工藝流程，在引入鐵中間層、鎢鋼梯度層上也具有明顯優(yōu)勢(shì)。與德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院發(fā)展的被歐洲看好的真空等離子噴涂技術(shù)路線相比，在鎢涂層致密度、氧雜質(zhì)含量、結(jié)合強(qiáng)度等整體性能指標(biāo)上表現(xiàn)更好，還不依賴特定的真空作業(yè)工況。目前，該項(xiàng)技術(shù)已具備開(kāi)展成果轉(zhuǎn)化及應(yīng)用的初步條件。