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聚变堆包层是实现聚变能利用和氚燃料增殖的关键部件。由于具有高的热效率和氚增殖比，以及氚在线提取功能，液态金属增殖剂包层是未来商用聚变堆的重要候选包层结构。液态金属增殖剂包层结构复杂，尤其是包层第一壁内部含有众多的矩形截面的氦冷流道，目前主要通过热等静压扩散焊接将矩形管和板件连接为整体来实现第一壁的制备。同时，聚变堆产生的高能中子辐照和高热流密度的热载荷对包层结构材料提出了抗辐照、高导热性等性能要求，另外聚变能作为一种清洁能源，对结构材料提出了低活化的要求。目前，国际聚变研究主要国家均发展了其各自的低活化钢作为未来聚变堆包层用结构材料。
包层第一壁流道具有较高的尺寸精度设计要求，同时热等静压扩散焊接对待焊接面的尺寸精度和表面质量要求也非常高。另外，为了提高第一壁的导热性能，矩形管的设计壁厚都在1.5～3mm。由于低活化钢是一种马氏体钢，其成形塑性较低，因而制备高尺寸精度，高表面质量的低活化钢薄壁矩形管是第一壁研制的难点之一。目前，低活化钢矩形管的研制思路主要是将无缝圆管通过热挤出、冷轧、冷拔或液压胀形等方案成形为矩形管。同时，包层研制方案的先弯后焊工艺涉及到矩形管件的弯曲成形，而先焊后弯工艺涉及到含多流道板件的弯曲成形。因此，低活化钢管类件的成形研究是包层第一壁研制的关键技术问题之一，对包层的成功研制具有重要意义。本论文针对中国低活化马氏体(CLAM)钢开展了无缝圆管轧制，矩形管成形，以及管件和第一壁弯曲性能的研究，并对所制备的管类件开展了性能测试和质量评估。
CLAM钢无缝圆管采用热穿孔和冷轧方式制备，主要工艺包括坯料准备和穿孔前热处理，热轧穿孔，软化热处理，冷轧和中间热处理以及检测入库。CLAM钢穿孔加热采用三段加热以减小热裂纹倾向，其穿孔最佳温度为1100～1180℃。由于CLAM钢穿孔后空冷产生马氏体相变，导致其加工塑性低。通过一系列回火和退火热处理研究表明，经以下退火热处理后CLAM钢具有良好的加工性能：真空条件下，980℃保温30min，然后以低于45℃/h的冷却速度降至600℃，最后炉冷至室温。退火态CLAM钢金相组织为铁素体和珠光体，其延伸率超过30％，屈服强度低于200MPa，具有良好的成形塑性，然而退火态CLAM钢具有较强的加工硬化倾向，其加工硬化指数高达0.26。为了改善冷轧制管过程中材料的加工硬化问题，通过预变形量和回火温度对CLAM钢塑性的影响研究，制定了CLAM钢圆管加工的道次延伸系数约为1.1，中间回火热处理制度为：800℃保温1h，然后炉冷。
低活化钢矩形管一般利用无缝圆管通过由圆变方工艺进行制备。本论文通过辊压、冷拔工艺进行了CLAM钢矩形管的研制，并采用数值模拟和实验相结合的方法对矩形管成形性能进行预测，同时对加工工艺进行了优化。数值模拟研究表明，辊压、冷拔条件下，CLAM钢矩形管均具有良好的成形性能。由于冷拔加工具有内外模具限制，冷拔矩形管具有较高的外形尺寸精度，其精度误差小于0.15mm，而且所成形矩形管的过渡圆角不超过3mm，有利于热等静压扩散焊接的预封装。但冷拔矩形管易造成轴向弯曲，冷拔后弯曲度超过2mm/m，一般需要进行后期校正。由于冷拔过程中涉及到酸洗，皂化，热处理等工艺，为了制备高尺寸精度和表面质量的矩形管，冷拔管在第一壁热等静压焊接前需要进行表面加工。另外，为了避免因为芯棒在冷拔过程中磨损导致的尺寸不足和矩形管直面的凹陷，需要对芯棒进行镀层处理以提高其耐磨性能。
包层第一壁制备的先弯后焊工艺需要首先对低活化钢管件进行弯曲成形，然后对弯曲板件和弯曲管件进行热等静压扩散焊接，因此对弯曲工艺有很高的成形精度要求。管件的绕弯实验表明，管件无芯棒绕弯时在弯曲半径方向产生一定的尺寸收缩，以及外侧面凹陷和流道畸变等问题。通过填充冰或低熔点金属后可以基本消除弯曲处的流道畸变和端面凹陷，但会导致流道外侧的壁厚减薄增大，减薄率超过22％。管件推弯的模拟和实验表明，在低熔点金属填充下，推弯成形的L型CLAM钢矩形管具有较高的外形尺寸精度，精度误差小于0.1mm，壁厚减薄率低于12.5％，而且基本无流道畸变。因此，推弯成形适合于制备高质量要求的弯曲管件。
包层第一壁制备的先焊后弯工艺需要首先将一列矩形管和内外两块平板通过热等静压扩散焊接为整体，然后在高温下整体弯曲为U形结构件。通过对热等静压扩散焊接后的包层第一壁热模压成形进行数值模拟分析，得到了第一壁结构在模压弯曲过程中的变形情况：在800℃条件下，采用热模压可以实现第一壁U形弯曲的安全成形，但第一壁板件的最大减薄量达到5mm，弯曲处流道收窄约4mm，超过25％，流道外侧板的减薄率达到20％，而且外侧板面向流道内凹陷约1.5mm。因此，采用先焊后弯工艺进行包层第一壁弯曲时需要对内部流道进行填充。
最后，通过低活化钢管类件的成形性能研究，并结合中国液态锂铅包层的特点，提出了研制中国液态锂铅包层第一壁的工艺路线方案。本研究将为包层第一壁的制备打下良好的基础，进而极大地推动中国液态金属TBM的研发进展。