核能安全所3D打印CLAM鋼材料的聚變堆關(guān)鍵部件樣件

根據(jù)科技日報(bào)，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院核能安全所采用中國抗中子輻照鋼（即“CLAM鋼”）為原料，利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)聚變堆關(guān)鍵部件——包層第一壁樣件的試制，并對其組織和性能進(jìn)行了研究分析，相關(guān)成果日前發(fā)表在國際核材料期刊《核物理學(xué)報(bào)》上。

3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化成型，具有制造周期短、材料利用率高等特點(diǎn)，是復(fù)雜構(gòu)件制造的重要方法。研究人員以CLAM鋼為原材料，通過3D打印技術(shù)開展聚變堆包層部件的試制，探索該技術(shù)在聚變堆等先進(jìn)核能系統(tǒng)部件制造上的可行性，以促進(jìn)先進(jìn)核能系統(tǒng)復(fù)雜構(gòu)件的快速研發(fā)和性能優(yōu)化,并推動(dòng)其工程化應(yīng)用。

經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，研究人員首次實(shí)現(xiàn)了聚變堆包層第一壁抗中子輻照鋼樣件的3D打印成型。結(jié)果顯示，該樣件的尺寸精度符合設(shè)計(jì)要求，材料的致密度達(dá)到99.7%，與傳統(tǒng)方法制備的CLAM鋼強(qiáng)度相當(dāng)。同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)3D打印的逐層熔化和定向凝固特性導(dǎo)致了不同方向上CLAM鋼組織和性能的差異，這種差異未來可以通過掃描方案優(yōu)化和熔池形核優(yōu)化等方式有效減小甚至消除。

以上研究表明，3D打印技術(shù)在聚變堆等先進(jìn)核能系統(tǒng)復(fù)雜構(gòu)件制造方面具有良好的應(yīng)用前景，同時(shí)體現(xiàn)了我國在3D打印先進(jìn)核能系統(tǒng)部件方面較強(qiáng)的研發(fā)實(shí)力。

CLAM鋼全稱是中國低活化馬氏體鋼（China Low Activation Martensitic steel），是低活化鐵素體/ 馬氏體鋼鋼 (RAFM)的一種。由中國科學(xué)院FDS團(tuán)隊(duì)在國家自然科學(xué)基金、中科院知識創(chuàng)新工程、973 計(jì)劃等項(xiàng)目的支持下與國內(nèi)外多家研究所和大學(xué)共同設(shè)計(jì)和研發(fā)的具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的、成分及性能優(yōu)化的RAFM鋼。

低活化鐵素體/馬氏體鋼鋼(RAFM)具有較低的輻照腫脹和熱膨脹系數(shù)、較高的熱導(dǎo)率等優(yōu)良的熱物理、機(jī)械性能，以及相對較為成熟的技術(shù)基礎(chǔ)，因此被普遍認(rèn)為是未來聚變示范堆和聚變動(dòng)力堆的首選結(jié)構(gòu)材料。目前世界各國均在發(fā)展和研究各自的RAFM鋼，如日本的F82H和JLF21，歐洲的EUROFER 97以及美國的9Cr-2WVTa等。為了趕上國際聚變堆研究形勢發(fā)展的步伐，適應(yīng)即將建造的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)實(shí)驗(yàn)包層模塊(TBM)和未來動(dòng)力示范堆發(fā)展的需要，從2001年開始，中科院等離子體物理研究所FDS(FusionDesignStudy)團(tuán)隊(duì)在國家自然科學(xué)基金、中科院知識創(chuàng)新工程、973計(jì)劃等項(xiàng)目的支持下與國內(nèi)外多家研究所和大學(xué)，如北京科技大學(xué)、中國原子能科學(xué)研究院、中科院金屬研究所、日本國立聚變科學(xué)研究所、西安交通大學(xué)等單位合作下，開展了對中國低活化馬氏體鋼—CLAM鋼的設(shè)計(jì)與研究，以發(fā)展具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的、成分及性能優(yōu)化的RAFM鋼。近幾年來CLAM鋼研究取得了較大的進(jìn)展，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到噸級的冶煉水平。

來源：科技日報(bào)