第一壁特點(diǎn)及種類

在聚變堆中，第一壁材料受到等離子體中發(fā)射出來的高能中子、電磁輻射和高能粒子(氛、氮、氦 和雜質(zhì))的強(qiáng)烈作用。一個(gè)商用的托卡馬克反應(yīng)堆，一 般中子壁負(fù)荷為2一5MW/m2。中子壁負(fù)荷是一個(gè)與聚變堆的功率密度有關(guān)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，數(shù)值上等于單位面 積的第一壁材料上的聚變中子源強(qiáng)度與中子能量的乘 積。與1 MW/m2的中子壁負(fù)荷相對應(yīng)的聚變中子源強(qiáng) 度(能量為14 .069 MeV)是4 .43 X 10^7n/m2·s。這些高 能中子的平均自由程為0.3m或更長一些，將會(huì)引起 整個(gè)第一壁和增殖區(qū)的輻照損傷。氘氚反應(yīng)的聚變能， 除了中子的能量以外，氦原子具有3.5MeV的能量。 后者以光子或高能粒子的形式入射在第一壁的表面。光子能量均勻地沉積在第一壁上，約占全部表面熱負(fù)荷的 20一60%。高能粒子的能量則主要沉積在孔欄板或偏濾器上。因此，聚變堆第一壁材料必須能經(jīng)受等離子體逃逸粒子作用下的表面濺射、起泡與剝蝕等的作用，不造成對等離子體的過度污染，能經(jīng)受比較高的表面熱負(fù)荷，而且在發(fā)生等離子體破裂事件時(shí)，能承受等離子體能量快速(毫秒級)沉積產(chǎn)生的高熱負(fù)荷的瞬態(tài)過程，必須抗中子輻照損傷，抗氫脆(D，T)，抗氦脆和氣體腫脹，具有與周圍環(huán)境的相適應(yīng)性，具有盡可能低的長半 衰期放射性產(chǎn)物。

第一壁材料主要包括第一壁表面覆蓋材料、第一壁結(jié)構(gòu)材料、高熱流材料和低活化材料。 第一壁表面覆蓋材料早期的聚變堆概念設(shè)計(jì)，第一壁材料既作為結(jié)構(gòu)材料也作為等離子體界面材料。所考慮的材料是不銹鋼和高熔點(diǎn)金屬及其合金等。這些中、高原子序數(shù)材料在等離子體離子和中性粒子的作用下發(fā)生濺射，濺射產(chǎn)物進(jìn)入等離子體引起的熱輻射損失，隨著原子序數(shù)的增加急劇上升，容易引發(fā)等離子體的破裂(見等離子體與材料表面相互作用)。所以，以后 的聚變堆概念設(shè)計(jì)采用了在第一壁材料上覆蓋一層低原子序數(shù)材料的辦法。覆蓋層可以選擇一些與等離子體相互作用性能優(yōu)越的材料，結(jié)構(gòu)功能則由基體材料承擔(dān)。 可供選擇的覆蓋層材料主要有被(Be)、石墨、硼、碳 化硼、碳化硅、氧化被和碳化鈦等。纖維強(qiáng)化復(fù)合材料碳一碳、碳一碳化硅等，由于其優(yōu)良的抗熱沖擊性能，也可用作覆蓋層材料。 第一壁結(jié)構(gòu)材料表面覆蓋層下的結(jié)構(gòu)材料。既作為真空室的壁，又包容第一壁冷卻劑，在多數(shù)設(shè)計(jì)中又是增殖區(qū)的一部分。故要求其在高溫、高中子通量、高熱負(fù)荷和高溫冷卻劑的環(huán)境中具有合適的工作壽命。 聚變反應(yīng)產(chǎn)生的14MeV中子對材料的離位損傷速率高于裂變中子，即dPa高(見中子輻照)。但它的 (n，a)和(n，p)及其他核反應(yīng)的截面更大，在不銹鋼中的氣體產(chǎn)生速率要比在快中子堆中大20一30倍。高氣體產(chǎn)生速率與離位損傷相結(jié)合(高的He/即a比值) 使聚變堆材料的輻照環(huán)境比快中子堆更為苛刻。氦 (He)是不溶解的惰性氣體，在高溫下遷移并為其他缺陷如空位、位錯(cuò)所捕獲，聚集長大成為氣泡(氫原子的 溶解度大，不易聚集成泡)，使材料發(fā)生腫脹和氦脆， 降低材料的塑性和尺寸穩(wěn)定性。腫脹和氦脆的出現(xiàn)和嚴(yán)重程度與溫度有關(guān)。其他核反應(yīng)生成的嫂變元素長期積 累后的合金化效應(yīng)也必須考慮。托卡馬克堆第一壁表面熱負(fù)荷約為0.2一1.5MW/m2。第一壁如果是比較厚的板，則要考慮熱應(yīng)力的影響;如果反應(yīng)堆運(yùn)行在周期性工況，則要考慮材料的疲勞性能。 第一壁結(jié)構(gòu)材料在上述條件下，除具有合適的機(jī)械性能外，還要具有與增殖材料，冷卻劑良好的相容性。 可作為第一壁結(jié)構(gòu)材料的有:奧氏體不銹鋼(AISI 316， PCA)，鐵素體不銹鋼(HT一9)，釩(V)、鈦(Ti)、鈮 (Nb)和鉬(Mo)等金屬及合金。重點(diǎn)開發(fā)的是制造工藝已經(jīng)成熟的材料。 高熱流材料第一壁部件中的孔欄和偏濾器是高能 逃逸離子沉積能量的主要區(qū)域，其表面熱負(fù)荷比第一壁 表面平均值高一個(gè)量級以上。此外，聚變堆運(yùn)行時(shí)，偶爾會(huì)發(fā)生等離子體破裂的事件，這時(shí)等離子體的能量將在毫秒級的短時(shí)間內(nèi)傾注在第一壁的某些區(qū)域，包括孔欄或偏濾器上。因此，這些部件必須采用高熱流材料。 常用的高熱流材料有銅合金(沉淀硬化合金，Cu一Mo 系合金等)，鉬合金(TZM一Mo一Ti一Zr一C合金，MO- Re系合金)，錠合金以及鎢(W)、鐵和石墨等?；蛘?應(yīng)用襯板的形式保護(hù)第一壁結(jié)構(gòu)的完整性。用作襯板的 材料有碳纖維強(qiáng)化材料，被和石墨等。 低活化材料聚變?nèi)剂习l(fā)生聚變反應(yīng)時(shí)并不象裂變 燃料那樣具有大量放射性裂變產(chǎn)物，主要的放射性來源 是第一壁和增殖區(qū)材料的中子活化。為了使聚變堆成為 更有吸引力的能源，從事聚變研究的一些國家以研究開發(fā)低活化的第一壁材料作為遠(yuǎn)期目標(biāo)，目的在于降低總放射性水平，特別是避免生成長半衰期放射性同位素，即限制材料中鎳(Ni)、鋁和鈮的含量。已提出的低活化材料有不含鎳的鉻錳(Cr一Mn)奧氏體不銹鋼、9 Crl W和gCr3W等的改進(jìn)型鋼、馬氏體鋼，以及釩合金和高純度(99.98%以上)的碳纖維增強(qiáng)材料。

九龍壁位于大同市城區(qū)東街路南，坐南朝北，為單面五彩琉璃照壁，明代建筑，也是我國現(xiàn)存建造年代最早、規(guī)模最大且歷史價(jià)值、旅游價(jià)值最大的一座五彩琉璃龍壁。

九龍壁高8米、厚2米、長44.5米，共分上、中、下三個(gè)部分:壁頂覆蓋琉璃瓦，頂下由琉璃斗拱支撐，壁底為須彌座，敦實(shí)富麗，上雕41組二龍戲珠圖案，腰部由75塊琉璃磚組成浮雕，有牛、馬、狗、鹿、兔等多種動(dòng)物形象，生動(dòng)活潑，多彩多姿。整個(gè)九龍壁構(gòu)圖協(xié)調(diào)，比例適當(dāng)，風(fēng)格古樸、穩(wěn)重、端莊，僅壁身的九龍壁主體高度就有3.72米。壁上均勻協(xié)調(diào)地分布著九條飛龍，以飛騰之勢躍然壁上，活靈活現(xiàn)。正中一條龍是九龍中心，它龍頭向前，龍尾擺動(dòng)，黃色的主體，鱗光閃爍。主龍兩側(cè)的兩條龍互相對稱，構(gòu)成一幅生動(dòng)的畫面，龍的間隙由山石、水草圖案填充，互相映照。每當(dāng)旭日東升時(shí)，金色的陽光灑在龍壁上，九條巨龍大有沖破云霧、昂首擺尾騰空而上之勢。

九龍壁前有一個(gè)倒影池，長34.9米、寬4.38米、深0.8米，中段有石橋讓人穿行。每當(dāng)夏秋之季，經(jīng)光線的折射，在一定的時(shí)間內(nèi)九條巨龍映在水中，猶如真龍?jiān)佻F(xiàn)，這就是常言所說的"活龍活現(xiàn)"。

第一壁是核聚變中面對等離子體的一層固體結(jié)構(gòu)，也就是真空室壁。它用于封閉等離子體?？晌盏入x子體釋放能量的20%左右。從等離子體中逸出的氫離子的濺蝕會(huì)引起壁材料的嚴(yán)重腐蝕。必須在制作壁的特種鋼材的表面涂敷石墨或CH0.4膜以防腐蝕。

第一壁是包容等離子體區(qū)和真空區(qū)的部件。又稱面向等離子體部件。它與其外圍的增殖區(qū)結(jié)構(gòu)緊密相連，常包括在增殖區(qū)結(jié)構(gòu)中。比較成熟的托卡馬克反應(yīng)堆的第一壁包括以下部件:①第一壁:形成等離子體和真空室的容器壁;②孔欄:限定等離子體邊界的部件，也可以兼作雜質(zhì)控制系統(tǒng);③偏濾 器:雜質(zhì)控制系統(tǒng);④其他部件:如中性束流注射區(qū)、診斷窗口及內(nèi)襯板等。