等离子体所在钨铜平板部件研制方面取得系列新进展

　　近日，等离子体所聚变堆材料科学与技术研究室工程团队在钨铜平板面向等离子体部件（PFC）设计和研制方面取得一系列新的进展。这是该研究团队继2014年采用热等静压法为EAST成功研制并批量生产了10MW/m²级钨铜穿管部件（W/Cu Monoblock PFC）和5MW/m²级钨铜平板部件（W/Cu Flat-tile PFC），2016年研制的W/Cu穿管模块通过了ITER的10MW/m²和20MW/m²级辐照测试，2018年获得法国CEA的WEST穿管部件采购制造合同之后取得的新成果。

　　相对于钨铜穿管结构部件（W/Cu-monoblock），钨铜平板部件具有换热效率高、制造工艺相对简单和成本较低等优点。研究团队首先应CEA要求改进提高了基于EAST平板工艺的连接质量，并制作了测试模块（图1）。由CEA委托独立第三方开展的高热负荷试验表明：测试模块承受住了102次10MW/m²，102次15MW/m²和302次20MW/m²热负荷的辐照。10MW/m2辐照时钨表面的最高温度低于550℃，表现优良；而在20MW/m2辐照时最高温度超过了1200℃，辐照后发现纯铜中间适配层发生了蠕变收缩，这与该简单冷却结构的换热能力有限相一致。

　　为此，研究团队开展了新型超蒸发强化换热结构模块的设计和研制工作。提出了横肋+纵肋强化换热复合结构设计方案，并首次采用一步热等静压法制备出了W/Cu/CuCrZr/316L连接性能良好的平板模块（图2）。降低了ITER平板部件制造采用的“爆炸焊+高温钎焊”两步工艺带来的潜在质量控制问题，尤其是针对10MW/m²以上的高热负荷应用场合。初步测试表明：模块成功经受住了80次10MW/m²+10次15MW/m²+10次20MW/m²的热负荷冲击，实验测得钨表面的最高温度分别为370℃、580℃和760℃，换热能力大幅提高。

　　研究团队还针对偏滤器朗缪尔探针不易冷却和在高温等离子体中迅速烧蚀损坏的问题，首次提出了喷射水冷钨铜平板探针的设计方案，开展了研制和测试工作（图3）。试制探针经受住了600次10MW/m²和600次20MW/m²的高热负荷疲劳试验，在两种热流密度下钨表面的最高温度分别约为500℃和1000℃，表明该探针具备了10MW/m²热流下的可靠工作能力。

　　研究团队已经为双肋强化换热部件和水冷探针的设计和制造技术申请了多项国家发明和国际专利。为了将成果尽快投入EAST和WEST实况测试和工程应用，研究团队正在结合两个装置的具体情况，优化相关工程设计，深入开展台面实验工作。

　　钨铜平板结构-1：简单水冷设计

　　钨铜平板结构-2：超蒸发强化换热设计

　　钨铜平板结构-3：喷射水冷朗缪尔探针