國際熱核實(shí)驗(yàn)堆超導(dǎo)導(dǎo)體不銹鋼管不同溫度下性能研究

   國際熱核實(shí)驗(yàn)堆內(nèi)部線圈超導(dǎo)導(dǎo)體采用一種特殊工藝的不銹鋼礦物絕緣導(dǎo)體(SSMIC)，即內(nèi)部采用銅導(dǎo)體，中間絕緣層及外部鎧甲的三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)。不銹鋼管鎧甲作為內(nèi)部線圈導(dǎo)體的重要組成部分，其優(yōu)異的性能是內(nèi)部線圈導(dǎo)體正常運(yùn)行的保障。針對國際熱核實(shí)驗(yàn)堆內(nèi)部線圈超導(dǎo)導(dǎo)體項目中對材料性能的要求，詳細(xì)研究了其常溫、高溫狀態(tài)下的力學(xué)性能，并就導(dǎo)體成型過程中不銹鋼管的變形量對材料力學(xué)性能的影響進(jìn)行了討論。

   國際熱核實(shí)驗(yàn)堆項目旨在共同建造一個超導(dǎo)托卡馬克型聚變實(shí)驗(yàn)堆，探索和平利用聚變能發(fā)電的科學(xué)和工程技術(shù)可行性，并為設(shè)計下一級設(shè)備及示范聚變電廠儲蓄技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。國際熱核實(shí)驗(yàn)堆裝置是大型的超導(dǎo)托卡馬克裝置，其基本參數(shù)如下: 裝置高度為30m，直徑為28m，總聚變功率為500MW，聚變功率/加熱功率大于10，可重復(fù)持續(xù)燃燒時間達(dá)500s，是第一個電站級別的聚變實(shí)驗(yàn)堆。國際熱核實(shí)驗(yàn)堆計劃將集成當(dāng)今國際核聚變研究的主要科學(xué)和技術(shù)成果，建成世界上第一個與未來聚變實(shí)驗(yàn)堆規(guī)模相比擬受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)堆。它是人類探索和平利用聚變能的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也是人類走向受控?zé)岷司圩冄芯筷P(guān)鍵一步。各國通過參與國際熱核實(shí)驗(yàn)堆計劃，達(dá)到資源共享，技術(shù)交流，并在合作過程中掌握聚變堆研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)的目的。

   國際熱核實(shí)驗(yàn)堆計劃將研究解決大量技術(shù)難題，是最終實(shí)現(xiàn)磁約束聚變能商業(yè)化必不可少的一步，國際熱核實(shí)驗(yàn)堆主機(jī)的結(jié)構(gòu)主要有超導(dǎo)系統(tǒng)、外真空杜瓦、內(nèi)外冷屏、真空室及內(nèi)部部件和磁體等部件組成。但2008年一些物理學(xué)家分析指出，超導(dǎo)磁體對等離子體位行的控制還存在一些不足之處，于是在2013年，國際熱核實(shí)驗(yàn)堆設(shè)計中納入了兩種類型的內(nèi)部線圈(IVC)，以提高國際熱核實(shí)驗(yàn)堆裝置運(yùn)行的安全性及穩(wěn)定性。內(nèi)部線圈主要包含兩部分，其一是安裝于真空室上下位置的2個環(huán)形的VS線圈，其能夠主動快速的控制等離子體的穩(wěn)定性，其二是分布在真空室內(nèi)上中下三層的近似方形的27個ELM線圈，其能夠通過在等離子體內(nèi)產(chǎn)生共振磁擾動而抑制邊界局域模效應(yīng)，從而降低面對等離子體部件上受到的熱沖擊載荷，而提高其壽命。內(nèi)部線圈導(dǎo)體在真空室中的布局如圖所示。超導(dǎo)導(dǎo)體是磁體的重要組成部分，而鎧甲又是組成導(dǎo)體的關(guān)鍵部件，其性能影響著磁體的安全運(yùn)行。因此，本文將對IVC超導(dǎo)導(dǎo)體中316LN不銹鋼管在常溫、高溫下的力學(xué)性能進(jìn)行比較和分析。

  國際熱核實(shí)驗(yàn)堆內(nèi)部線圈需要安裝于真空室內(nèi)的輻射屏的后面，由于其所安裝的位置的特殊性，決定了其在運(yùn)行過程中需要經(jīng)受相當(dāng)惡劣的環(huán)境。首先，其需要承受以及中子輻照的總量約為8500MGy的輻照，其次需要經(jīng)受來自其他超導(dǎo)線圈，如PF、TF等產(chǎn)生的電磁影響，最后需要承受高溫的影響，其烘烤時溫度約為240℃，穩(wěn)定運(yùn)行溫度約為100℃，因此運(yùn)行環(huán)境極其嚴(yán)峻。為了適應(yīng)復(fù)雜嚴(yán)峻的運(yùn)行工況，國際熱核實(shí)驗(yàn)堆內(nèi)部線圈導(dǎo)體采用一種特殊的礦物絕緣導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，即內(nèi)部采用銅導(dǎo)體，中間的絕緣層及外部鎧甲的三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)。鎧甲在內(nèi)部線圈結(jié)構(gòu)中起著非常重要的作用，不僅起到支撐整個導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，連接內(nèi)部線圈與國際熱核實(shí)驗(yàn)堆裝置內(nèi)真空室支撐的作用，同時其還擔(dān)負(fù)著熱傳導(dǎo)，保護(hù)絕緣層及內(nèi)部銅導(dǎo)體的職責(zé)。由于不銹鋼管需要隨導(dǎo)體在高溫(130℃)下服役，并且是主要的承載部件，所以其高溫下力學(xué)性能尤為重要。

1. 試驗(yàn)樣品不銹鋼鋼管的信息(化學(xué)成分、尺寸)

  國際熱核實(shí)驗(yàn)堆導(dǎo)體制造技術(shù)文件對不銹鋼的化學(xué)成分及尺寸提出了明確的規(guī)定，因此在實(shí)驗(yàn)前，對實(shí)驗(yàn)樣品的化學(xué)成分進(jìn)行了分析，測試結(jié)果如表所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，不銹鋼管樣品的化學(xué)成分滿足技術(shù)文件要求。本次實(shí)驗(yàn)的IVC不銹鋼管尺寸如圖所示，分為固溶熱處理態(tài)和最終態(tài)，最終態(tài)由固溶態(tài)壓縮、拉伸及真空熱處理得到。

2. 力學(xué)測試樣品的制備

  根據(jù)國際熱核實(shí)驗(yàn)堆要求，為模擬真實(shí)導(dǎo)體使用情況，鋼管的力學(xué)樣品必須取固溶熱處理態(tài)的鋼管進(jìn)行縮徑壓至最終尺寸(外徑59mm)、伸長1．6%然后進(jìn)行24小時的240℃恒溫真空熱處理。真空熱處理爐升溫速率控制在100℃/h以下以防過熱，并采用EDM線切割進(jìn)行取樣。所有試驗(yàn)試樣都嚴(yán)格依據(jù)ASTM E8M標(biāo)準(zhǔn)中的要求進(jìn)行取樣制備。

3. 不同溫度固溶處理態(tài)力學(xué)測試結(jié)果

   選取同一批次的IVC不銹鋼管截取樣品共分為4組，在不同溫度，不同狀態(tài)下進(jìn)行力學(xué)性能測試，包括室溫和130℃高溫，固溶態(tài)和最終態(tài)(固溶態(tài)下進(jìn)行冷作變形和真空熱處理，測試結(jié)果如表2所示。

4. 不同條件下不銹鋼管的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度測試結(jié)果

  取上述四組樣品的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度值作曲線變化圖，如圖所示。由圖可見，相較于固溶態(tài)，最終態(tài)抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度在室溫和高溫都有顯著提高，屈服強(qiáng)度提高得尤為顯著(室溫提升73%，高溫提升108%)。其次無論是固溶態(tài)還是最終態(tài)，高溫下強(qiáng)度較之常溫都將下降，并且最終態(tài)下降更多。

5. 不同條件下不銹鋼管的斷裂延伸率的變化

  取四個樣品的斷裂延伸率作圖，如圖所示。由圖可看出，最終態(tài)斷裂延伸率無論室溫還是高溫都較固溶態(tài)有一定的下降，這是因?yàn)槔渥饔不木壒?。其次固溶態(tài)和最終態(tài)在高溫下斷裂延伸率都將較之室溫略微下降，可見斷裂延伸率對溫度的敏感性遠(yuǎn)沒有強(qiáng)度大。

  對國際熱核實(shí)驗(yàn)堆超導(dǎo)導(dǎo)體的組成部件不銹鋼鋼管進(jìn)行了常溫、高溫下的固溶熱處理態(tài)和最終態(tài)的力學(xué)性能測試，對不同條件下的IVC不銹鋼管的力學(xué)強(qiáng)度塑形等力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行了分析研究。最終態(tài)由于冷作硬化作用，強(qiáng)度增加，塑形降低，表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度在常溫、高溫下均有提高，屈服強(qiáng)度尤為突出，延伸率均有一定下降，但是相比較變化并不顯著，并且溫度對之影響不大。