一種適應於聚變堆的結構鋼材料

《一種適應於聚變堆的結構鋼材料》是中國科學院電漿物理研究所於2006年5月27日申請的專利，該專利申請號：2006100859082，專利公布號：CN1861825，專利公布日：2006年11月15日，發明人是：黃群英、鬱金南、吳宜燦、李艷芬、李春京。

《一種適應於聚變堆的結構鋼材料》為低活化馬氏體鋼，基體為Fe元素，其中含有Cr、W、V、Ta、Mn、C等合金元素成分，適合在聚變反應堆環境下使用，抗強中子輻照。該鋼配方中採用以W、Ta、V和Mn取代一般鋼中的Mo、Nb和Ni等元素，以保證其具有低活化特性。並且通過最佳化組分，提高了鋼的主要性能；同時對中子輻照後可產生長壽命放射性核素的雜質含量進行嚴格控制。中子輻照後所產生的活化產物中放射性核素半衰期較短，且其放射性水平可在100年內降低至可遠程操作劑量水平10豪西弗/小時以下。

2021年8月16日，《一種適應於聚變堆的結構鋼材料》獲得安徽省第八屆專利獎優秀獎。

基本介紹

• 中文名：一種適應於聚變堆的結構鋼材料
• 公布號：CN1861825
• 公布日：2006年11月15日
• 申請號：2006100859082
• 申請日：2006年5月27日
• 申請人：中國科學院電漿物理研究所
• 地址：安徽省合肥市
• 發明人：黃群英、鬱金南、吳宜燦、李艷芬、李春京
• Int.Cl.：C22C38/18(2006.01)、C21D1/18(2006.01)、C21D11/00(2006.01)
• 專利代理機構：合肥華信專利商標事務所
• 代理人：余成俊
• 類別：發明專利

專利背景

聚變能是一種清潔核能，要求其使用的結構材料為低活化材料。截至2006年5月，廣泛使用的裂變堆結構材料主要成分含有Fe、Mn、Ni、Mo等元素，其中Ni、Mo等受中子輻照後會產生長壽命放射性核素，而且有些放射性核素的半衰期可長達幾萬年甚至幾十萬年以上。這對核電站的核廢物處理問題提出了嚴峻的挑戰，不僅處理成本非常高，而且極不安全，不適用於聚變堆。因此，為了儘量降低材料活化可能引起的潛在放射性危害以及減少放射性廢物的後處理及其費用，全球對低活化馬氏體鋼配方進行了一些研究，研究的低活化馬氏體鋼主要是Fe­Cr-W鋼。它是以W、Ta、V和Mn取代一般鋼中的Mo、Nb和Ni等元素，以保證其具有低活化特性。國際上普遍認為低活化馬氏體鋼可以作為聚變堆包層的結構鋼材料。作為核聚變堆的結構鋼材料要求其具有較好的機械性能、高溫蠕變特性和抗輻照脆化特性，2006年5月以前的結構鋼材料各有其優缺點，相對於聚變堆第一壁的要求而言仍有許多不足之處。

發明內容

專利目的

《一種適應於聚變堆的結構鋼材料》提出了一種適應於聚變堆的結構鋼材料，其機械性能、高溫特性、抗輻照脆化特性等表現均佳，預計能滿足核聚變堆第一壁的使用要求。

技術方案

《一種適應於聚變堆的結構鋼材料》的特徵在於其中各成分占總質量的百分比為：基體為Fe元素，Cr9.0±0.5%，W1.5士0.2%，V0.20士0.05%，Ta0.15士0.03%，Mn0.45士0.05%，C0.10±0.02%。其中各成分占總質量的百分比為：基體為Fe元素，Cr9.0%，W1.5%，V0.20%，Ta0.15%，Mn0.45%，C0.10%。最終熱處理制度為：960-1040℃/25-35分鐘洋火；740-780℃/80-100分鐘回火。

《一種適應於聚變堆的結構鋼材料》從對聚變堆結構材料的低活化和性能要求等方面考慮，對2006年5月以前的低活化鐵素體／馬氏體鋼的配方成分進行了進一步深入研究與最佳化，對合金元素中的Cr、W、Ta的含量進行了適當調整。與國際上正在發展的其它低活化鐵素體／馬氏體鋼成分相比較，9%Cr是為了保證足夠的強度和韌性、輻照後具有較低的DBTT值以及具有較好的抗腐蝕能力等；1.5%W是為了保證較高的材料強度和較低的DBTT以及減少脆性Laves相的可能析出；0.45%Mn是為了改善材料與液態鈕鉛的相容性；適量增加Ta的含量是為了形成彌散碳化物，控制晶粒生長，進一步提高材料的高溫性能。另外，從低活化角度考慮，對雜質元素，特別是對N、Ni、Mo、Nb、Co、Cu等元素，根據最新計算分析結果提出了更嚴格的要求。

改善效果

《一種適應於聚變堆的結構鋼材料》具有抗輻照和高溫性能好的特點，適合在聚變堆高中子流強和強輻照環境下使用，能滿足作為核聚變堆第一壁結構鋼材料的要求。利用該發明的低活化馬氏體鋼作為核聚變堆的結構鋼材料，其經中子輻照後的放射性可在較短時間內降低到可處置水平，從而使聚變能成為真正意義上的清潔能源，而且在核反應堆退役後100年內其放射性水平將會降低至可遠程操作劑量率水平10豪西弗/小時以下。同時，它也適合於在裂變堆中使用。

技術領域

《一種適應於聚變堆的結構鋼材料》涉及一種適用於聚變堆的低活化馬氏體鋼，可抗強中子輻照。

權利要求

1、《一種適應於聚變堆的結構鋼材料》的特徵在於其中各成分占總質量的百分比為：基體為Fe元素，Cr9.0%，W1.5%，V0.20%，Ta0.15%，Mn0.45%，C0.10%；對中子輻照後可產生長壽命放射性核素的雜質成分其嚴格控制要求為：N<O.002%、Ni0.005%、Mo0.005%、Nb0.001%、Co0.005%、Cu0.005%；對其它雜質元素控制要求為：00.01%、P0.005%、S0.005%、Al<O.01%。

2、根據權利要求1所述的結構鋼材料，其特徵在於其最終熱處理制度為：960-1040°C/25-35分鐘滓火；740-780°C/80-100分鐘回火。

實施方式

《一種適應於聚變堆的結構鋼材料》其中各成分占總質量的百分比為：基體為Fe元素，Cr9.0%，W1.5%，Vo20%，Ta0.15%，Mn0.45%，C0.10%。對中子輻照後可產生長壽命放射性核素的雜質成分其嚴格控制要求為：N<O.002%、Ni0.005%、Mo0.005%、Nb0.001%、Co0.005%、Cu0.005%，對其它雜質元素控制要求為：00.01%、P0.005%、S0.005%、Al<O.01%。其最終熱處理制度為：960-1040'C/25-3S分鐘洋火；740-780℃/80-100分鐘回火。該鋼屬於馬氏體鋼，具有較高的熱導率和較低的熱膨脹係數，較好的抗高溫蠕變特性以及中子輻照下較低的腫脹率等優越性能。該鋼材具有體心正方結構，故在中子輻照下腫脹率比面心立方結構的奧氏體不鏽鋼要低；V、V與Ta是強碳化物形成元素，與C形成的金屬間化合物高溫下非常穩定，析出沉澱在晶界上，可以有效阻礙位錯運動，所以在高溫下蠕變性能較好；另外，熱導率比奧氏體不鏽鋼316ss高50％左右；因為在約<300°C中子輻照下材料會產生低溫脆化，即DBTT（韌－脆轉變溫度）上升，影響繼續使用，而《一種適應於聚變堆的結構鋼材料》中該鋼材料輻照前DBTT低至一100七左右，預期能夠滿足聚變堆的使用要求，即在壽命期限內該結構材料DBTT不會影響到電站的運行；而且該鋼材其它機械性能優良，適合於550°C以下環境長時間運行，如室溫極限拉伸強度超過650兆帕，屈服強度超過500兆帕，延伸率25％以上；600°C下極限拉伸強度達到330兆帕，屈服強度在290兆帕以上，延伸率接近30%。這些均能滿足聚變堆設計的要求。同時，它也適合於在裂變堆中使用。

榮譽表彰

2021年8月16日，《一種適應於聚變堆的結構鋼材料》獲得安徽省第八屆專利獎優秀獎。