核能安全所3D打印CLAM钢材料的聚变堆关键部件样件

根据科技日报,中科院合肥物质科学研究院核能安全所采用中国抗中子辐照钢(即“CLAM钢”)为原料,利用3D打印技术实现聚变堆关键部件——包层第一壁样件的试制,并对其组织和性能进行了研究分析,相关成果日前发表在国际核材料期刊《核物理学报》上。

3D打印技术可实现复杂结构一体化成型,具有制造周期短、材料利用率高等特点,是复杂构件制造的重要方法。研究人员以CLAM钢为原材料,通过3D打印技术开展聚变堆包层部件的试制,探索该技术在聚变堆等先进核能系统部件制造上的可行性,以促进先进核能系统复杂构件的快速研发和性能优化,并推动其工程化应用。

核能安全所3D打印CLAM钢材料的聚变堆关键部件样件

经过大量实验,研究人员首次实现了聚变堆包层第一壁抗中子辐照钢样件的3D打印成型。结果显示,该样件的尺寸精度符合设计要求,材料的致密度达到99.7%,与传统方法制备的CLAM钢强度相当。同时,研究还发现3D打印的逐层熔化和定向凝固特性导致了不同方向上CLAM钢组织和性能的差异,这种差异未来可以通过扫描方案优化和熔池形核优化等方式有效减小甚至消除。

以上研究表明,3D打印技术在聚变堆等先进核能系统复杂构件制造方面具有良好的应用前景,同时体现了我国在3D打印先进核能系统部件方面较强的研发实力。

CLAM钢全称是中国低活化马氏体钢(China Low Activation Martensitic steel),是低活化铁素体/ 马氏体钢钢 (RAFM)的一种。由中国科学院FDS团队在国家自然科学基金、中科院知识创新工程、973 计划等项目的支持下与国内外多家研究所和大学共同设计和研发的具有中国自主知识产权的、成分及性能优化的RAFM钢。

低活化铁素体/马氏体钢钢(RAFM)具有较低的辐照肿胀和热膨胀系数、较高的热导率等优良的热物理、机械性能,以及相对较为成熟的技术基础,因此被普遍认为是未来聚变示范堆和聚变动力堆的首选结构材料。目前世界各国均在发展和研究各自的RAFM钢,如日本的F82H和JLF21,欧洲的EUROFER 97以及美国的9Cr-2WVTa等。为了赶上国际聚变堆研究形势发展的步伐,适应即将建造的国际热核聚变实验堆(ITER)实验包层模块(TBM)和未来动力示范堆发展的需要,从2001年开始,中科院等离子体物理研究所FDS(FusionDesignStudy)团队在国家自然科学基金、中科院知识创新工程、973计划等项目的支持下与国内外多家研究所和大学,如北京科技大学、中国原子能科学研究院、中科院金属研究所、日本国立聚变科学研究所、西安交通大学等单位合作下,开展了对中国低活化马氏体钢—CLAM钢的设计与研究,以发展具有中国自主知识产权的、成分及性能优化的RAFM钢。近几年来CLAM钢研究取得了较大的进展,现在已经发展到吨级的冶炼水平。

来源:科技日报

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