面向等離子體材料與可控核聚變

相比核裂變，核聚變幾乎不會帶來放射性污染等環(huán)境問題，其原料可直接取自海水中的氘，來源幾乎取之不盡，是理想的能源方式。

　　但是要想把這種能量為人類所有效利用，我們還有很長的路要走，它的關(guān)鍵問題之一是面臨高溫等離子體的第一壁結(jié)構(gòu)材料?？梢哉f，現(xiàn)在世界上已有的材料中尚沒有任何一種能勝任第一壁的工作要求。

　　近些年中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，舉世矚目。但是制約中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一些瓶頸問題日漸顯現(xiàn)，其中頗為突出的就是能源問題。我國自然資源的基本特點(diǎn)是富煤、貧油、少氣。我國煤炭雖然儲量豐富，但是分布不均，尤其是煤炭作為能源，污染嚴(yán)重，致使我國能源使用排放的溫室氣體僅次于美國，居世界第二位，為環(huán)境外交所矚目。核能的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，是人類在二十世紀(jì)最偉大的科學(xué)技術(shù)成就之一。與太陽能、水能、風(fēng)能、地?zé)岬惹鍧嵞茉聪啾龋四懿皇軙r(shí)間和地域的限制，尤其受控?zé)岷司圩兡苁枪J(rèn)的“資源無限”、可以“永遠(yuǎn)”解決人類未來能源需求和保護(hù)環(huán)境的重要途徑之一。

　　氘氚聚變反應(yīng)可以釋放出大量能量，其所需燃料在地球上預(yù)計(jì)約能使用3000萬年以上。聚變反應(yīng)堆不產(chǎn)生硫、氮氧化物等環(huán)境污染物質(zhì)，不釋放溫室效應(yīng)氣體；氘氚反應(yīng)的產(chǎn)物沒有放射性，中子對堆結(jié)構(gòu)材料的活化也只產(chǎn)生少量較容易處理的短壽命放射性物質(zhì)。上個(gè)世紀(jì)八十年代美、蘇、日、歐盟設(shè)立了國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(International Thermo-nuclear Experimental Reactor, 簡稱ITER)計(jì)劃。并且在本世紀(jì)初確定了ITER的設(shè)計(jì)概要，標(biāo)志了受控?zé)岷司圩兗夹g(shù)從基礎(chǔ)研究階段進(jìn)入到了確認(rèn)設(shè)備性能的工程可行性階段。ITER現(xiàn)已在法國南部馬賽附近的卡達(dá)拉舍開始建設(shè)，這是工程可行性研究的第一步，第二步是研制示范聚變堆，第三步才是研制商用聚變堆。

　　2006年11月21日，科技部部長徐冠華代表中國政府簽署了ITER計(jì)劃的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)協(xié)定及相關(guān)文件，這是中國科學(xué)家首次和歐美等發(fā)達(dá)國家的科學(xué)家一起研究的重大科學(xué)項(xiàng)目，是國際上僅次于國際空間站的重大國際合作項(xiàng)目。中國此次加入ITER，分擔(dān)研究了一部分項(xiàng)目。而接下來的工作有很多，國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家應(yīng)該提早研究，爭取在我國盡早地建立起示范聚變堆和商用聚變堆。

　　制約核聚變堆研究的關(guān)鍵問題之一是面臨高溫等離子體的第一壁結(jié)構(gòu)材料，即面向等離子體材料（Plasma Facing Materials, PFM）。PFM指在磁約束可控?zé)岷司圩兎磻?yīng)裝置中直接面對等離子體的第一壁和偏濾器、限制器的裝甲材料。核聚變裝置相當(dāng)于裝高溫等離子體的爐子，最受考驗(yàn)的是內(nèi)壁，其表面要承受高溫、極高的表面熱負(fù)荷（最高約20MWm-2)，并且要承受核聚變反應(yīng)放出來的能量高達(dá)14MeV的中子的輻照，輻照量將為數(shù)百dpa。同時(shí)，14MeV中子的(n2p) 、(n,α)核嬗變反應(yīng)所產(chǎn)生的大量的氫、氦對材料的性能會產(chǎn)生巨大影響?？梢哉f，現(xiàn)在世界上已有的材料中尚沒有任何一種可能勝任第一壁的工作要求。

　　PFM的主要功能是：有效地控制進(jìn)入等離子體的雜質(zhì)；有效地移走輻射到材料表面的熱功率；保護(hù)非正常停堆時(shí)其它部件免受等離子體轟擊而損壞。同時(shí)，面對等離子體材料應(yīng)與反應(yīng)堆運(yùn)行壽命、可靠性和維護(hù)相一致。因此，面對等離子體材料的總體要求是耐高溫、低濺射、低氫(氚)滯留及與結(jié)構(gòu)材料兼容。碳基材料和鎢是最有前景的PFM的候選材料。對于PFM而言必須解決兩個(gè)難題，一是PFM自身性能的不斷提高；二是PFM與銅基熱沉材料的有效連接。目前歐盟、日本、美國等國對碳基和鎢基PFM進(jìn)行了較深入的研究，我國則起步較晚。

　　單一材料或涂層材料已不能滿足前沿科研領(lǐng)域發(fā)展的需求，例如，在航天飛行器上的，需要能承受1000攝氏度以上的高溫度差的材料。但通常的涂層材料，即在金屬表面涂上陶瓷涂層，由于陶瓷和金屬的膨脹系數(shù)相差很大，反復(fù)多次就會開裂。

　　什么樣的材料才能達(dá)到如此高的要求呢？1984年，日本Masayuki Niino博士等三位科學(xué)家在研究航天飛行器所需高溫結(jié)構(gòu)材料時(shí)提出了功能梯度材料（Functionally Graded Materials, 簡稱 FGM）這一材料設(shè)計(jì)的新概念。所謂功能梯度材料是指材料成分和結(jié)構(gòu)是逐步過渡的材料。由于是逐步過渡，從而大大減小了由于異種材質(zhì)膨脹系數(shù)失配使材料在高溫度差下產(chǎn)生的過大的熱應(yīng)力，顯著提高了材料的抗熱沖擊性和抗熱震性。后來，材料科學(xué)家們又把梯度材料這一設(shè)計(jì)概念從高溫結(jié)構(gòu)材料推廣應(yīng)用到各種功能材料上來。這是一個(gè)非常重要的研究方向，于1996年由我向有關(guān)部門提交了耐高溫等離子體沖刷的功能梯度材料的科研頂層設(shè)計(jì)項(xiàng)目建議書，設(shè)想這種材料可以運(yùn)用在三個(gè)方面，一是為受控核聚變提供耐高溫等離子體沖刷的材料，二是可以用于激光核聚變，三是可以在航空航天上用。這項(xiàng)建議得到了國家有關(guān)部門的重視和核工業(yè)西南核物理研究院的合作，863新材料專家委員會在聽取了論證報(bào)告、通過答辯后于1997年7月批準(zhǔn)了這個(gè)項(xiàng)目。

　　該課題組經(jīng)過十年努力，較深入地研究了彈塑性有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)、超高壓力通電燒結(jié)、熔滲-焊接法制備模塊、活性金屬真空釬焊、活性金屬鑄造、自蔓延燃燒預(yù)熱爆炸固結(jié)、分次熱壓等新技術(shù)，成功地制備出了多個(gè)體系的耐等離子體沖刷的功能梯度材料，包括鎢和銅、碳化硅和銅、碳化硼和銅、鉬和銅、碳化硅和碳、碳化硼和碳功能梯度材料等，其中碳化硅和銅、碳化硼和銅、碳化硅和碳、碳化硼和碳體系的功能梯度材料在國際上尚未見前人報(bào)道。這些體系的材料分別在中國主要的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，核工業(yè)西南物理研究院中國環(huán)流器1號HL-1上做過原位實(shí)驗(yàn)，或在中國科學(xué)院等離子體所的HT-7上進(jìn)行過等離子體輻照實(shí)驗(yàn)。

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