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包层是聚变堆的核心部件。聚变堆液态锂铅增殖剂包层具备氚增殖率高、能量转换效率高和结构简单等众多优势,被认为是最具潜力的包层概念之一。目前国际上普遍认为低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢被认为是未来DEMO聚变示范堆及第一座聚变电站的首选结构材料。中国聚变堆液态锂铅包层设计中均将具有中国自主知识产权的RAFM钢——中国低活化马氏体(CLAM)钢作为包层首选结构材料。RAFM钢在聚变堆液态金属锂铅包层中腐蚀问题是聚变堆材料研究领域的关键科学问题之一,国际上已开展了初步研究。
本论文基于自主研发的高纯锂铅合金和DRAGON系列实验装置(包括静态试验装置DR_AGON-ST,旋转实验装置DRAGON-RT和热对流锂铅实验回路DRAGON-I),模拟聚变堆液态锂铅包层工况下的腐蚀环境,研究了CLAM钢在液态锂铅中的腐蚀行为以及腐蚀对材料机械性能的影响规律。主要运用重量和硬度测试、扫描电子显微镜(SEM/EDX)、X射线衍射分析(XRD)等微观组织结构测试分析方法,研究不同坩埚材料(304不锈钢、Fe-Cr合金和纯Mo)、不同锂铅温度(480℃～550℃)和流速(0～0.32m/s)下CLAM钢在液态锂铅腐蚀过程中微观结构和成分演变规律。实验结果显示,CLAM钢在静态锂铅中的腐蚀机制主要为表面纳米级的铁、铬氧化膜在锂铅中损耗后,合金元素在固液接触边界层内的溶解、扩散和质量迁移过程。在流动锂铅中,基体表面晶界处沉积碳化物的损耗以及晶粒内合金元素的溶解是CLAM钢不均匀腐蚀的主要原因,探索了流体加速腐蚀的机制。同时,开展了CLAM钢与日本JLF-1钢在500℃和600℃下流动锂铅中300小时的对比实验与分析,结果显示,CLAM钢腐蚀速率与晶界腐蚀程度均弱于JLF-1钢,与液态锂铅的相容性优于JLF-1钢。同时,为研究液态锂铅腐蚀对CLAM钢机械性能的影响规律,开展了静态(480℃～550℃)和流动(0.08m/s)锂铅腐蚀对CLAM钢机械性能影响的实验研究。初步实验结果显示,CLAM钢试样5000小时静态和3000小时流动腐蚀后机械性能和塑性基本无变化。本论文研究结果为CLAM钢在聚变堆液态锂铅包层中服役性能的评估提供了实验依据。