Structural Materials for Fusion Reactors: State of the Art and Prospects

Les matériaux de structure des réacteurs de fusion : Etat de l’art et prospective

Forschungszentrum Karlsruhe, Karlsruhe (Allemagne)

Abstract

An overview is given on the state-of-the-art of materials that are presently the basis of commercial fusion power plants with emphasis on reduced activation high-performance ferritic/martensitic steels, nano-composited oxide dispersion strengthened ferritic steels, V alloys, SiCf/SiC composites and W based refractory materials. Based on conceptual power plant studies like the European Power Plant Conceptual Study (PPCS), the associated performance goals and requirements for structural materials will be briefl y reviewed. In all studies, the challenging environments require structural materials highly resistant to a combination of high heat fluxes, irradiation damage, thermo-mechanical stresses and chemical erosion or corrosion. While for ITER or first generation fission reactor designs the maximum damage level achieved by any structural material is on the order of a few displacements per atom (dpa), the structural materials of DEMO reactors will operate up to damage levels approaching 150-200 dpa. Even more, fusion neutrons will generate high production rates of He and hydrogen isotopes enhancing sensitively irradiation embrittlement.

For the timely availability of materials design data for fusion power plants, the international fusion materials community is working on a broad based IEA coordinated R&D programme, including (i) neutron irradiation programmes (presently up 30 dpa in mixed spectrum and 70 dpa in fast breeder reactors), (ii) advanced manufacturing and joining technologies, and (iii) multi-scale modelling for the understanding of materials properties. Recent achievements will be highlighted, showing that the radiation resistance of some fusion candidate alloys may also be very attractive for advanced fission reactor applications. Despite of the progresses and the “low level waste” capability, the different candidate materials are hardly comparable today because the level of knowledge differs remarkably. Finally, the major near and long-term research activities of the international materials development strategy will be discussed, including the International Fusion Material Irradiation Facility (IFMIF), together with prospects of the high performance materials.

Résumé

On donne une synthèse sur l’état de l’art des matériaux qui sont actuellement envisagés pour un réacteur de fusion électrogène, avec un accent particulier sur les aciers ferritique/martensitique haute performance basse activation, les aciers ferritiques renforcés par une distribution homogène de particules nanométriques d’oxydes (acier ODS), les alliages Vanadium, les composites SICf/SIC et les matériaux réfractaires à base W. Basées sur les études de réacteur de fusion menées en Europe (European Power Plant Conceptual Study-PPCS), les performances demandées aux matériaux de structure sont brièvement passées en revue. L’environnement fusion très contraignant exige des matériaux de structure devant résister à une combinaison de hauts flux thermiques, de dommages d’irradiation, d’efforts thermomécaniques, d’érosion ou de corrosion chimique. Alors que pour ITER ou pour la première génération de réacteurs de fi ssion le taux de dommage maximum est de l’ordre de quelques déplacements par atome (dpa), les matériaux de structure d’un réacteur devront résister à des niveaux de dommage approchant les 150-200 dpa. De plus, les neutrons de fusion produiront des taux élevés d’isotopes d’He et d’hydrogène augmentant sensiblement la fragilisation sous irradiation.

Afin de rendre disponible la base de données matériaux nécessaire à la conception des réacteurs de fusion, la communauté internationale travaille sur un large programme coordonné par l’Agence Internationale de l’Energie incluant, (i) des programmes d’irradiation (jusqu’à 30 dpa dans un spectre mixte et 70 dpa dans un spectre rapide), (ii) des technologies de fabrication et d’assemblage avancées, et (iii) des modélisations multi-échelles pour la compréhension des mécanismes de base. Des résultats récents sont exposés, montrant que la résistance aux rayonnements de quelques alliages candidats pour la fusion peut également être très attrayante pour des applications sur des réacteurs de fi ssion avancés. En dépit des progrès et des capacités de faible activation, les différents matériaux candidats sont aujourd’hui difficilement comparables car le niveau de connaissances diffère remarquablement d’un candidat à l’autre. Finalement, les activités de recherches internationales à moyen et à long terme visant à développer ces matériaux sont discutées, y compris la source internationale de neutrons IFMIF, ainsi que les perspectives des matériaux à haute performance.