EAST装置面向等离子体部件碳基材料钎焊工艺研究

发布时间：2020-07-01 15:33

【摘要】：石墨等碳基材料由于具有极高的熔点,较强的抗热冲击能力以及与等离子体兼容性好等优点,被作为面向等离子体材料广泛应用于核聚变实验装置中。在面向等离子体部件的研发和制造中,面向等离子体材料与热沉的连接技术是关键的制造工艺技术。目前EAST装置中,面向等离子体材料石墨与铬锆铜热沉之间普遍采用螺栓连接这种机械连接方式,由于存在较高的接触热阻,这种连接工艺下的面向等离子体部件可承受热负荷能力较低。因此研究碳基材料与铬锆铜热沉的冶金连接技术具有重要意义。为缓解实际工况中的热应力,在进行面向等离子体材料与热沉连接时,一般采用延展性较好的无氧铜做中间层。本文对碳基材料与无氧铜的直接钎焊连接技术进行了研究,采用不同种类的银基含钛钎料进行了GA石墨,阿泰克石墨和CFC三种碳基材料与无氧铜的直接钎焊连接实验,对钎料、钎焊温度、装夹压力和冷却速度等工艺参数进行了优化,实现了碳基材料与无氧铜的良好连接,接头区域光滑平整,母材无裂纹等缺陷,阿泰克石墨/无氧铜接头平均剪切强度达到了 12MPa;当以无氧铜做中间层时,接头强度更高,最高达到39MPa,超过了石墨母材自身的强度。在碳基材料与无氧铜钎焊工艺研究的基础上进行了碳基材料面向等离子体部件研发,采用一步焊和分步焊两种不同焊接工艺方案成功实现碳基材料/无氧铜/铬锆铜的钎焊连接。对钎焊接头界面缺陷的无损检测技术进行了研究,阿泰克石墨/无氧铜接头界面可以通过水浸超声波检测技术进行无损探伤,结果显示界面钎着率高,GA石墨以及CFC由于材料自身孔隙率较大,无法通过超声波进行检测,多层钎焊结构超声波无损检测难度也较大。红外线无损检测技术受限于碳基材料厚度和焊接结构特点,检测效果不理想。对样件进行了热负荷性能测试,结果表明在5m/s流速下,可承受最高11MW/m2热流密度,经过1000次5MW/m2热疲劳试验,CFC表面和接头都无损坏或剥离。将研发的碳基材料面向等离子体制造工艺技术应用于EAST装置NBI束透区域第一壁,对结构进行优化设计并根据实际工况负载进行有限元分析,结果显示第一壁新结构各部件的温度和应力值都在许用范围内,经过加工制造检验,代替旧的第一壁部件,成功安装于EAST装置中,经过一轮等离子体放电实验验证,CFC表面无明显损伤。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL631.24
【图文】：

原理图,原理,核裂变,核聚变反应

核能分为裂变能和聚变能。核裂变的原理是由一个重的原子核分裂成两个逡逑或多个较轻的原子，在这个过程中由于有质量衰减，会释放出能量，核裂变反逡逑应原理如图１．１所示。核裂变的主要燃料是铀２３５，尽管铀元素在地壳中含量很逡逑高，但在天然铀中，铀２３５的含量只有０．７２％，以目前的开采速度，铀２３５仅逡逑仅能够使用几十年。此外，裂变堆会产生难处理的核废料，尽管采用更先进的逡逑快中子增值堆可以提高浓缩铀的利用率，大幅减少核废料产量，但由于技术难逡逑度大，很难实现商业化运营，另外裂变站在存在运行安全性等问题，因此裂变逡逑能不能成为人类解决终极能源问题的最好途径［３＿４］。逡逑．．Ｖ逡逑图１．１核裂变反应原理逦图１．２核聚变反应原理逡逑另一种核能来自核聚变反应，聚变是两个质量较轻的原子，主要是氘或氚，逡逑在极高温度和高压条件下，让两个轻的原子核能够碰撞到一起，发生原子核聚逡逑合反应，形成新的质量更重的原子核，并

原理图,托克马克,磁约束核聚变,受控

流分别产生环向磁场和极向磁场，两者迭加在一起形成一个封闭的、螺旋状的逡逑磁场来约束其中的粒子。被约束的等离子体被感应、中性束、离子回旋共振、逡逑电子回旋共振、低杂波等方式加热到上亿度的高温，实现聚变反应，图１．３是逡逑典型托克马克的原理图逡逑２逡逑

【相似文献】