通用原子能公司核级碳化硅复合材料及其相关技术的规模化放大

《Journal of Nuclear Engineering》：Scale-Up of General Atomics’ Nuclear Grade Silicon Carbide Composite and Related Technologies George M. Jacobsen, Sean Gonderman, Rolf Haefelfinger, Lucas Borowski, Ivan Ivanov, William McMahon, Jiping Zhang, Osman Trieu, Christian P. Deck and Christina A. Back + 3 authors

　　

碳化硅（SiC）及碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料（SiC/SiC）因其能够承受高温、中子辐照和等离子体相互作用等极端条件，在下一代核聚变反应堆中的应用受到重新关注。通用原子电磁系统公司（GA-EMS）在SiC/SiC制备的规模化放大方面取得了显著进展，实现了高达12英尺长部件的高力学均匀性和尺寸要求达标。关键发展包括化学气相渗透（CVI）工艺从实验室规模向全尺寸部件的放大、高剂量（100 dpa）辐照测试、核级陶瓷连接技术，以及以生产为中心的质量控制，其共同目标是将SiC/SiC确立为核聚变系统中结构和功能部件的可靠解决方案。除制造之外，论文还探讨了供应链障碍，特别是核级SiC纤维有限的供应量和较高的成本。GA-EMS正在开发一种基于热化学固化步骤的新型SiC纤维生产方法，预期可降低与传统方法相比的成本。此外，工程化SiC材料（如SiC泡沫和钨梯度SiC复合材料）的进展被讨论为特定核聚变反应堆部件的有前景的解决方案。

## 一、研究背景与问题提出

碳化硅（SiC）及碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料（SiC/SiC）是推动核聚变试验堆和未来商业核聚变系统发展的关键材料。SiC和SiC/SiC的根本优势在于能够提高反应堆效率、减少维护相关的停机时间、延长电厂寿命并简化废物管理。在双冷铅锂包层（DCLL）设计中，SiC/SiC作为结构功能材料，能够承受高温、辐照和等离子体作用，同时实现高效的氚增殖。然而，将核级SiC/SiC从实验室规模推向商业应用面临重大挑战：化学气相渗透（CVI）工艺在米级尺度上的致密化均匀性控制困难，核级SiC/SiC的量产尚未实现，且核级SiC纤维供应有限、成本高昂，严重制约了产业化进程。针对这些问题，GA-EMS开展了系统性的规模化放大研究。

## 二、主要技术方法

研究人员采用的技术路线主要包括：（1）分阶段放大CVI/CVD工艺，通过6英尺炉作为中间步骤，结合CHEMKINplug-flow模型与ANSYS FLUENT计算流体动力学模型优化系统设计；（2）采用"压缩致膨胀"测试方法评估管壁环向拉伸强度，并进行二参数韦伯（Weibull）统计分析；（3）在MIT研究堆（MITR）和爱达荷国家实验室先进试验堆（ATR）开展辐照试验；（4）采用无压预陶瓷聚合物/CVD混合连接技术；（5）X射线衍射（XRD）、辉光放电质谱（GDMS）和X射线计算机断层扫描（XCT）等质量表征手段；（6）SiO气体转换法制备SiC泡沫；（7）脉冲直流溅射技术制备W/SiC功能梯度材料。样本来源包括MAITrX设施制备的12英尺长SiC/SiC管状部件及缩短尺寸辐照试样。

## 三、研究结果 （研究结果）

### 3.1. 核级SiC/SiC规模化放大

**SiC/SiC规模化制造**：GA-EMS建立了可制造12英尺长、高长径比SiC/SiC部件的专用核级制造实验室，批次产量可达数百件。该设施最初用于实验室规模验证，典型批次规模为数十至一百件，部件尺寸最大15英寸。为耐事故燃料（ATF）项目安装的35英尺高CVI/CVD处理炉，设计产能为每批次300根全长度SiGA燃料棒。

**性能均匀性与尺寸控制**：对12英尺长部件的1英寸分段测试表明，四个3英尺区段的比例极限应力（PLS）和极限拉伸应力（UTS）变化均小于5%，验证了全长度上的均匀沉积。二参数韦伯分析显示，12英尺杆件的韦伯特征UTS值较1英尺杆件低10%，韦伯模数为23.2，与短尺寸材料（22.3）相当。直度测量满足ASTM B811的0.01英寸/英尺规格要求，实际小于0.008英寸/英尺；外径加工后沿12英尺长度的变化仅为0.0002英寸。

**辐照性能**：在MITR和ATR的辐照试验中，采用CVI复合致密化和混合SiC连接的缩短尺寸SiC/SiC杆件表现出优异性能，辐照后保持几何形状和完整性。ATR辐照的累积dpa远超SiC中子辐照损伤饱和点，表明额外的材料变化预期极小。

**连接与集成技术**：无压预陶瓷聚合物/CVD混合连接方法在500°C、3 dpa辐照后，平均剪切强度从116 MPa降至94 MPa，但气密性（氦泄漏率<10^-7 atm·cm³/s）在辐照前后均得到保持，且在超过55 MPa内压下仍维持气密性。瞬态共晶相连接可实现高达338 MPa的平均剪切强度，但需数MPa压力。

**质量控制**：MAITrX为核质量保证合格设施。成分控制通过XRD和GDMS实现，12英尺制造规模已成功验证。XCT提供微米级分辨率的3D成像，用于孔隙含量、编织角度等关键特征的量化。

### 3.2. SiC纤维供应链

GA-EMS开发了SiGA^?-FN纤维，采用热化学固化替代电子束交联，通过控制聚合物化学和热加工步骤，将非晶纤维转化为低氧、近化学计量比、高纯度SiC纤维。在美国能源部先进材料和制造技术办公室（AMMTO）支持下，连续生产工艺使部分制造步骤成本较传统批量法降低60%。该纤维性能已接近商用纤维水平。

### 3.3. 附加SiC技术

**可规模化SiC泡沫**：采用SiO气体转换法，将碳泡沫转化为SiC泡沫。通过含Si和SiO₂的复合颗粒在1200°C下反应释放SiO气体，实现高度均匀的SiC转换。已制备6 in×6 in×0.25 in泡沫板和3 in×3 in×3 in流道插件原型，尺寸变化<0.5%。

**W/SiC多层梯度材料**：采用专有脉冲直流溅射工艺，在直径达5 cm的部件上制备W与SiC的成分梯度涂层，已实现超过10 μm厚度的梯度薄膜，获得了从SiC到W的平滑成分梯度。

## 四、讨论与结论

该研究的讨论部分聚焦于核级SiC/SiC制造面临的三大挑战：制造设施、材料成本和供应链管理。CVI工艺虽能获得高质量核级基体，但通常被视为昂贵且耗时的过程。GA-EMS正在探索基于高纯度粉末和预陶瓷聚合物的替代途径，主要挑战在于预陶瓷聚合物倾向于生成非晶SiC，不具备辐照稳定性。研究人员指出，核级SiC纤维成本有望遵循碳纤维的历史轨迹——自1980年代末商业化以来，制造成本下降超过10倍，产量增加15倍。

在关键研发需求方面，融合相关中子谱下的高剂量辐照效应因缺乏14 MeV中子能谱试验设施而受限；SiC与等离子体相互作用中的选择性侵蚀和再沉积、氢/氚滞留及其对材料性能的影响等问题，均需进一步研究。

**研究结论**：基于SiC材料数十年研究积累，现已达到必须规划大型核级SiC和SiC/SiC部件生产能力的关键转折点。GA-EMS已完成核级SiC/SiC的初始规模化放大验证，制造出高达12英尺的高长径比部件，这些部件表现出高力学均匀性，且强度与实验室规模制备的部件相当，同时满足严格的尺寸要求。试验堆辐照正在进行中，以确认辐照后材料性能与文献报道的有利结果一致。在供应链方面，GA-EMS正在开发成本低于现有商用选项的核级SiC纤维；SiC泡沫用于流道插件、W/SiC梯度材料用于面向等离子体组件等定向应用材料的评估也在进行中。通过依托国家实验室和大学的基础研究解决关键可行性问题，结合商业核聚变初创公司日益增长的需求信号，产业界已开始 positioning 自身作为核级SiC部件供应商。

该论文发表于《Journal of Nuclear Engineering》。