综述：聚变增殖包层用RAFM钢第一壁结构制造技术的比较评估：从ITER TBM到DEMO

《Results in Engineering》：Comparative Assessment of RAFM Steel First Wall Structural Manufacturing Technologies for Fusion Breeding Blankets: From ITER TBM to DEMO

　　

在聚变发电厂中，增殖包层（Breeding Blanket, BB）能够实现热量提取和氚增殖，而其面向等离子体的第一壁（First Wall, FW）由于承受极端运行载荷，是最关键且最具挑战性的制造部件之一。在过去三十年中，研究主要集中于开发针对各种DEMO和测试包层模块（Test Blanket Module, TBM）的FW概念（尤其是那些采用减活化铁素体/马氏体（Reduced Activation Ferritic Martensitic, RAFM）钢的概念）的稳健制造技术。报道的制造路线包括传统工艺，如电火花加工（Electrical Discharge Machining, EDM）加冷成形（Cold Forming）和热等静压（Hot Isostatic Pressing, HIP），以及新兴的增材制造和混合方法，如选择性激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）和冷喷涂（Cold Spray）沉积。本综述旨在全面概述各种FW制造技术。为了评估这些方法在DEMO规模FW制造中的技术前景和实际适用性，研究人员使用五个关键标准进行了比较评估：可制造性、工业可扩展性、生产质量、成本效益以及在核建设规范中的覆盖范围。还指出了这些制造路线的技术就绪水平（Technology Readiness Levels, TRL）。评估表明，用于U形FW配置的传统制造路线比最近新兴的增材制造和混合技术显示出更高的成熟度，这也由这些技术相对较高的TRL所指示。对于非典型的日本“O”圆柱形包层配置，基于传统锻造的FW制造仍然是最成熟的解决方案。然而，其对熔焊的依赖引发了对接头可靠性的担忧。为了解决这一问题，介绍了最近在KIT开发的一种新型模块化单体块（Monoblock）配置。

1. Introduction
论文引言部分介绍了聚变能作为未来清洁能源的潜力，以及DEMO示范堆和ITER国际热核聚变实验堆在推进聚变能开发中的作用。研究人员指出，增殖包层（BB）是聚变反应堆中最关键的部件，负责热量提取和氚增殖，而其面向等离子体的第一壁（FW）因承受极端热负荷、疲劳-蠕变相互作用和辐照损伤，成为制造难度最大的部件之一。综述涵盖了各国提出的主要包层概念，包括欧盟的氦冷球床（HCPB）、水冷铅锂（WCLL）和水冷铅陶瓷增殖剂（WLCB），中国的WCCB和HCCB，日本的WCCB“O”圆柱形概念，以及韩国的HCCR。这些概念采用不同的冷却剂、增殖材料和结构配置。FW的典型结构为采用RAFM钢制造的U形厚板，内部设有冷却通道，等离子体面涂覆或连接钨装甲层。本综述旨在系统评估FW的多种制造技术，并基于可制造性、工业可扩展性、生产质量、成本效益和核建设规范覆盖度五个标准进行比较，同时考虑技术就绪评估（TRA）。研究人员明确指出，该综述不包括装甲材料（钨）与FW的连接技术。

2. Structural Material for Breeding Blankets
论文介绍了减活化铁素体/马氏体（RAFM）钢作为增殖包层结构材料的首选。RAFM钢由8-12%Cr的马氏体合金组成，通过低活化元素（如W、V、Ta）替代Mo和Nb，并严格控制C、N和杂质元素（如Co）。各国开发了不同变体，包括日本的F82H（8Cr-2W-0.04Ta-0.1C）和JLF-1，欧洲的EUROFER97（9Cr-1W-0.2V-0.1Ta），印度的IN-RAFM，中国的CLAM和CLF-1，俄罗斯的EK-181（Rusfer），以及韩国的K-RAFM和ARAA。这些材料表现出良好的抗蠕变和抗辐照肿胀性能，以及与增殖材料和冷却剂的相容性。论文还提及了其他潜在结构材料，如钒合金、氧化物弥散强化（ODS）钢和碳化硅复合材料（SiC_f/SiC），但本综述重点聚焦于RAFM钢的制造技术。

3. Critical Requirements for DEMO Scale FW Manufacturing
这部分讨论了DEMO规模FW制造的关键需求。首先，由于熔焊会溶解RAFM钢中细小碳化物（M₂₃C₆）析出物，导致热影响区性能退化，且仅进行回火后焊热处理（PWHT）无法完全恢复性能，因此必须尽可能避免熔焊。其次，FW在等离子体直接暴露下承受高能中子辐照（14.1 MeV）和循环热应力，焊接接头易成为辐照脆化起点，缩短包层寿命。因此，制造工艺应使FW保持接近基体材料的力学性能，通常需要采用后焊热处理（PWHT）或后HIP热处理（PHHT），例如对EUROFER97在710-760°C进行1-4小时回火。此外，制造工艺必须确保冷却通道的精确加工和泄漏密封性，满足高热量处理能力，并具备可扩展性以生产米级尺寸、复杂轮廓的FW段。论文还给出了EU DEMO FW的代表性制造要求，包括几何尺寸、公差、无损检测和质量生产要求。这些要求推动了替代制造路线的探索，包括EDM+冷成形、HIP、增材制造和混合方法。

4. Exploration of Manufacturing Technologies for FW
4.1 Electric Discharge Machining (EDM) and Forming
该技术通过在轧制或锻造板材上钻孔，然后利用线切割电火花加工（EDM）加工矩形冷却通道，再进行冷成形弯曲成U形，最后进行热处理消除残余应力。KIT等机构利用此技术成功制造了ITER HCPB TBM和DEMO HCPB BB的FW演示件，包括1.6m和2.5m长的U形板，内部设有15mm x 15mm的冷却通道。该工艺避免了熔焊，使FW保持基体材料性能，并符合RCC-MRx规范。但主要挑战在于冷却通道加工时间长、成本高，且由于尺寸限制，需要采用熔焊方式连接多个段以形成完整FW段。

4.2 Hot Isostatic Pressing (HIP)
HIP技术通过扩散焊接连接两个或多个部件，形成接近基体特性的冶金结合。研究人员探索了多种变体：1-step HIP工艺，如日本使用F82H钢制造U形TBM FW演示件，在1100°C/150MPa下进行2小时HIP，随后进行正火和回火；中国使用CLAM和CLF-1钢制造了1/3和1/1比例的FW部件，并成功连接了钨装甲。激光焊接与1-step HIP工艺（Laser+HIP）通过激光焊接薄条形成冷却通道压力边界，再进行HIP，降低了通道失效风险，欧洲研究人员使用EUROFER97制造了CP和FW演示件。2-step HIP工艺通过低压力和高压力两步HIP循环，减少了通道变形，无需逐条通道焊接，提高了接头质量。HIP工艺的优点是获得高质量、低缺陷的接头，但可扩展性受限于HIP炉尺寸和基础设施，需要多段连接。HIP在核建设规范中已有部分覆盖，例如ASME BPVC Sec. VIII和RCC-MRx允许扩散焊接。

4.3 Additive and Hybrid Manufacturing Technologies
选择性激光熔化（SLM）技术利用粉末床激光熔化，可制造带有扰流器的复杂冷却通道。KIT使用EUROFER97和P92粉末制造了FW演示件，并通过EB焊接和HIP组装。SLM可实现高精度，但沉积率低（约0.1 mm/层），导致制造时间长、成本高，且可扩展性受限。冷喷涂（Cold Spray）技术作为直接能量沉积（DED）的变体，在低温下沉积材料，可结合铣削加工和冷成形，KIT使用P92制造了FW演示件和弯曲板，随后通过HIP和EB焊接。冷喷涂具有多材料能力和低热变形，但沉积层存在孔隙率，需后处理。激光固体成形（LSF）技术，中国使用CLF-1钢制造了FW演示件，通过热处理恢复了马氏体组织，但存在各向异性。总体而言，这些增材制造技术仍处于较低TRL，主要挑战包括沉积率低、可扩展性差、后热处理后基体性能恢复不完全，以及在核建设规范中的覆盖有限。

4.4 Other Relevant Technologies: JA “O” Cylindrical
日本WCCB TBM采用非典型的“O”圆柱形子模块结构，FW由锻造半球壳和圆柱壳通过TIG焊接组成。锻造工艺简单，可扩展性强，但熔焊接头可靠性问题仍需关注。

5. Comparative Assessment of Different Manufacturing Technologies
基于五个标准（可制造性、工业可扩展性、生产质量、成本效益和规范覆盖度）以及技术就绪水平（TRL），论文对EDM+Forming、HIP、SLM、Cold Spray和JA Cylindrical五种技术进行了比较评估。JA Cylindrical因采用标准锻造工艺，在各项标准中得分最高，但依赖于熔焊接头。EDM+Forming平衡性较好，具有高生产质量和规范覆盖度，但成本效率低，可扩展性受限于冷成形。HIP生产质量高，成本适中，但可扩展性有限。SLM和Cold Spray的TRL较低，主要受限于可扩展性和成本。评估表明，U形FW的传统制造技术（EDM+Forming和HIP）比新兴增材制造技术更成熟，但所有技术对于DEMO规模FW制造仍存在显著差距。

6. An Alternate FW Configuration: KIT Monoblock
KIT开发了一种新型模块化单体块（Monoblock）HCPB BB配置，采用整体锻造或铸造的固体块，FW区域为扁球面头，无需独立冷却通道，而是通过燃料-增殖棒组件（FBPA）进行冷却。所有压力边界焊缝集中在包层后部，承受较低中子损伤，从而提高了接头可靠性。KIT与Voestalpine AG合作，使用低投资优化核（LION）钢通过3D砂型铸造生产了3吨级的单体块，其力学性能接近EUROFER97。该配置处于早期开发阶段，但具有良好的可制造性、可扩展性和成本效益前景。

7. Conclusion
论文总结指出，EDM+冷成形技术可实现接近基体性能的FW制造，但加工时间和尺寸限制构成挑战；HIP已达到ITER TBM相关成熟度，但可扩展性受限于复杂几何形状和大型HIP基础设施；增材制造和混合技术提供了设计灵活性，但沉积率低、可扩展性差和基体性能恢复不完全等问题仍需解决；日本“O”圆柱形设计采用标准锻造，但熔焊接头可靠性值得关注。基于五准则比较，EDM+Forming和HIP在U形FW制造中更具前景，而增材制造技术尚处于早期发展阶段。

8. Recommendations
针对各技术，论文提出以下建议：对于EDM+冷成形，需降低冷却通道加工成本，优化弯曲工具参数以减少变形；对于HIP和Laser+HIP，应逐步扩展到DEMO相关尺寸，并发展大型HIP基础设施；对于增材制造，需提高沉积率，优化工艺参数以减少热变形和缺陷，并建立大型部件的后热处理方案；对于非典型FW几何，需改进可制造性、可扩展性和成本效益。

9. Future Research Outlook
未来研究方向包括：多线EDM系统开发以降低加工成本；增材制造技术纳入RCC-MRx和ASME BPVC规范；冷喷涂和WEBAM技术在FW制造中的应用；KIT Monoblock的锻造替代工艺探索；EUROFER97工业规模供应链建立；以及辐照效应对这些制造技术影响的研究。