合肥能源研究院在聚变材料与液态金属相容性研究中取得进展 为包层及第一壁材料选型提供依据

合肥综合性国家科学中心能源研究院中子技术应用研究中心科研团队，近日在核聚变堆液态金属环境下的材料相容性与性能演化机理研究方面取得重要进展。团队围绕奥氏体耐热不锈钢与铁镍基耐热合金在高温静态液态铅锂中的长周期腐蚀特性，以及钨纤维增强钨基复合材料与液态锂的接触损伤机制开展了深入攻关，相关成果不仅发表于核材料领域顶尖学术期刊，并在第九届聚变领域液态金属应用国际研讨会上作了交流展示。

液态金属锂与铅锂共晶合金因具备优异的中子增殖、传热性能及抗高热负荷能力，被视为磁约束聚变装置面向等离子体液固复合第一壁及氚增殖包层最具潜力的候选工质。然而，在数百度的高温极端服役工况下，液态金属极易对与其直接接触的金属结构壁面产生强烈的化学侵蚀与物理剥蚀，引致微观合金元素选择性析出溶解、力学性能劣化与传热性能衰减，直接制约聚变核心部件的长期服役安全。

针对高温铅锂增殖包层候选结构用材，科研团队在700摄氏度的高温静态液态铅锂环境中，针对高铬镍奥氏体不锈钢与铁镍合金开展了长达1000小时的加速静态腐蚀对比实验。实验系统追踪了试样的质量损失率、显微组织演变及元素扩散深度。结果表明，高铬镍奥氏体钢整体抗铅锂腐蚀性能优于铁镍合金，但两类材料在深层侵蚀中均表现出铬、镍合金组分向液态铅锂优先溶解析出的共性现象，并在晶界区域留下了多孔蜂窝状的非均匀腐蚀层;同时实验发现，金属表面原位预置的完整致密金属氧化膜能在初期起到物理阻隔作用，有效延缓高温铅锂对基底材料的化学侵蚀速率。

在液固复合第一壁候选耐热材料的相容性攻关方面，研究团队测试了钨纤维增强钨基复合材料在350摄氏度与550摄氏度静态液态锂中经受500小时冲刷浸润后的损伤形貌。微观表征证实，增强钨纤维区主要呈现特征性的晶界腐蚀与微观孔蚀，而基体金属区则以相界与边缘优先溶解为主。在550摄氏度强腐蚀后，复合材料基体区显微硬度发生超过54%的明显跌落，伴随热扩散率下降，揭示了高温液态锂侵蚀对钨材料高温力学承载及排热能力的显著削弱效应。分析表明，通过优化粉末冶金烧结工艺以大幅提高材料致密度并消除微观空隙，能有效缩减工质浸润面积，进而显著提高耐腐蚀性能。

后续该团队将针对聚变堆复杂多场耦合环境，加快推进集高温等离子体辐照与液态金属流道于一体的综合实验平台建设，进一步开展流动液态金属动态腐蚀评估、多尺度相容性仿真以及服役性能原位无损检测装备开发，为未来聚变反应堆液态金属包层及第一壁的工程化选材提供底层数据支持。