【摘要】：石墨等碳基材料由于具有極高的熔點(diǎn),較強(qiáng)的抗熱沖擊能力以及與等離子體兼容性好等優(yōu)點(diǎn),被作為面向等離子體材料廣泛應(yīng)用于核聚變實(shí)驗(yàn)裝置中。在面向等離子體部件的研發(fā)和制造中,面向等離子體材料與熱沉的連接技術(shù)是關(guān)鍵的制造工藝技術(shù)。目前EAST裝置中,面向等離子體材料石墨與鉻鋯銅熱沉之間普遍采用螺栓連接這種機(jī)械連接方式,由于存在較高的接觸熱阻,這種連接工藝下的面向等離子體部件可承受熱負(fù)荷能力較低。因此研究碳基材料與鉻鋯銅熱沉的冶金連接技術(shù)具有重要意義。為緩解實(shí)際工況中的熱應(yīng)力,在進(jìn)行面向等離子體材料與熱沉連接時,一般采用延展性較好的無氧銅做中間層。本文對碳基材料與無氧銅的直接釬焊連接技術(shù)進(jìn)行了研究,采用不同種類的銀基含鈦釬料進(jìn)行了GA石墨,阿泰克石墨和CFC三種碳基材料與無氧銅的直接釬焊連接實(shí)驗(yàn),對釬料、釬焊溫度、裝夾壓力和冷卻速度等工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了碳基材料與無氧銅的良好連接,接頭區(qū)域光滑平整,母材無裂紋等缺陷,阿泰克石墨/無氧銅接頭平均剪切強(qiáng)度達(dá)到了 12MPa;當(dāng)以無氧銅做中間層時,接頭強(qiáng)度更高,最高達(dá)到39MPa,超過了石墨母材自身的強(qiáng)度。在碳基材料與無氧銅釬焊工藝研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了碳基材料面向等離子體部件研發(fā),采用一步焊和分步焊兩種不同焊接工藝方案成功實(shí)現(xiàn)碳基材料/無氧銅/鉻鋯銅的釬焊連接。對釬焊接頭界面缺陷的無損檢測技術(shù)進(jìn)行了研究,阿泰克石墨/無氧銅接頭界面可以通過水浸超聲波檢測技術(shù)進(jìn)行無損探傷,結(jié)果顯示界面釬著率高,GA石墨以及CFC由于材料自身孔隙率較大,無法通過超聲波進(jìn)行檢測,多層釬焊結(jié)構(gòu)超聲波無損檢測難度也較大。紅外線無損檢測技術(shù)受限于碳基材料厚度和焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn),檢測效果不理想。對樣件進(jìn)行了熱負(fù)荷性能測試,結(jié)果表明在5m/s流速下,可承受最高11MW/m2熱流密度,經(jīng)過1000次5MW/m2熱疲勞試驗(yàn),CFC表面和接頭都無損壞或剝離。將研發(fā)的碳基材料面向等離子體制造工藝技術(shù)應(yīng)用于EAST裝置NBI束透區(qū)域第一壁,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并根據(jù)實(shí)際工況負(fù)載進(jìn)行有限元分析,結(jié)果顯示第一壁新結(jié)構(gòu)各部件的溫度和應(yīng)力值都在許用范圍內(nèi),經(jīng)過加工制造檢驗(yàn),代替舊的第一壁部件,成功安裝于EAST裝置中,經(jīng)過一輪等離子體放電實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,CFC表面無明顯損傷。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TL631.24
【圖文】：

核能分為裂變能和聚變能。核裂變的原理是由一個重的原子核分裂成兩個逡逑或多個較輕的原子，在這個過程中由于有質(zhì)量衰減，會釋放出能量，核裂變反逡逑應(yīng)原理如圖１．１所示。核裂變的主要燃料是鈾２３５，盡管鈾元素在地殼中含量很逡逑高，但在天然鈾中，鈾２３５的含量只有０．７２％，以目前的開采速度，鈾２３５僅逡逑僅能夠使用幾十年。此外，裂變堆會產(chǎn)生難處理的核廢料，盡管采用更先進(jìn)的逡逑快中子增值堆可以提高濃縮鈾的利用率，大幅減少核廢料產(chǎn)量，但由于技術(shù)難逡逑度大，很難實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營，另外裂變站在存在運(yùn)行安全性等問題，因此裂變逡逑能不能成為人類解決終極能源問題的最好途徑［３＿４］。逡逑．．Ｖ逡逑圖１．１核裂變反應(yīng)原理邐圖１．２核聚變反應(yīng)原理逡逑另一種核能來自核聚變反應(yīng)，聚變是兩個質(zhì)量較輕的原子，主要是氘或氚，逡逑在極高溫度和高壓條件下，讓兩個輕的原子核能夠碰撞到一起，發(fā)生原子核聚逡逑合反應(yīng)，形成新的質(zhì)量更重的原子核，并

流分別產(chǎn)生環(huán)向磁場和極向磁場，兩者迭加在一起形成一個封閉的、螺旋狀的逡逑磁場來約束其中的粒子。被約束的等離子體被感應(yīng)、中性束、離子回旋共振、逡逑電子回旋共振、低雜波等方式加熱到上億度的高溫，實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)，圖１．３是逡逑典型托克馬克的原理圖逡逑２逡逑

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7 付鐫

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