什麼使中國將美國材料壟斷價格降低了90%

“人造太陽”項目有望2050年點亮你家燈泡

昨日，一則有關人造太陽的新聞登上了各大科技新聞網站頭條。據小編所知，人造太陽是一座大型托卡馬克反應堆，也就是核聚變反應堆，在人造太陽的材料構造中，鎢扮演著非常重要的角色，至於有哪些作用，且聽小編分解。

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據華西都市報10月23日訊:一個集結了包括中國在內的30多個國家的頂尖科學家，目前世界上最大的科學合作工程——國際熱核聚變實驗堆計畫(簡稱“ITER”)正在有條不紊地進行著。由於項目模擬自太陽內部的核聚變原理，這個工程還有一個更加形象的名字：“人造太陽”, 以當前專案的進度速度來評估，中國預計將於2050年實現商業化應用。

人造太陽是一個多國聯合攻關的國際熱核聚變實驗堆計畫(簡稱“ITER”)。ITER實驗堆建在法國，建造預算約55億美元；技術方面，中國承擔其中約10%的研發製造任務——由核工業西南物理研究院、中科院等離子體物理研究所等單位科學家具體承擔。其中，位於成都的核工業西南物理研究院承擔了其中約一半部件研發的重任。

目前，托卡馬克核聚變能源來自氫的同位素，氘和氚的劇烈反應。一公升海水裡提取出的氘，完全聚變反應可釋放相當於燃燒300升汽油的能量。科托卡馬克裝置的溫度已升至5500萬℃，這是迄今為止國內裝置達到的最高溫度。“要實現受控核聚變反應，必須達到上億攝氏度以上的高溫，以及足夠高的密度等，如果因某種原因導致條件不能滿足，聚變反應就會停止。

在ITER中，鎢被國際原子能機構認為是今後核聚變裝置最有前途的面對等離子體第一壁材料，不單如此，鎢合金偏濾器也是ITER的關鍵部件之一。

什麼是第一壁？實驗裝置中的聚變物質時刻釋放著高強度的熱輻射。核心區最高溫度能達到1億攝氏度，如果材料性能不佳，要麼就被高溫瞬間融化，要麼就會讓反應堆這座鍋爐熄滅。中國科學家說，要構建起“人造太陽”的核心，需要特殊的材料築起一道“防火牆”，來抵禦裝置內部上億攝氏度的高溫環境。在2006年，業內普遍認為“鈹”是最佳選擇，世界上擁有這種材料的高純度提取和製造工藝技術的國家中，美國處於技術壟斷地位，高純度“鈹”一公斤對外銷售在一百萬元人民幣以上。由於材料的稀缺性，美國只是少量出售，有錢還買不到。”從那時起，中國團隊開始致力於研發國產的第一壁材料，經過長達十年的研究，新型特殊材料終於問世，並將美國壟斷價格降低了90%。

是什麼材料讓美國材料壟斷價格降低了90%？這種新型特殊材料就是以鎢為基礎的鎢基合金材料。這裡小編要科普一下，最早的人造太陽第一壁材料的選擇有碳、鈹和鎢，但為什麼我們選鎢呢？這是因為鎢及鎢合金有著高熔點、高導熱率、高密度、低的熱膨脹係數、低蒸氣壓、低氚滯留、低濺射產額和高自濺射閥值等優異的性能，能適配人造太陽計畫的大部分要求。

最早期，ITER用的是碳纖維，小編從資料中瞭解到，當時ITER的第一壁材料和偏濾器材料配備的是外層碳裝置，因為碳纖維複合材料的溶點也很高，熱抵抗性好、抗熱疲勞性也好，還能夠承受邊界局域模、如果發生爆炸進入等離子體，偏濾器不會溶化。然而，碳的真正問題在於它很容易和氫氣發生反應。當研究人員準備採用真正的聚變燃料重氫時，碳塗層就會釋放出放射性，變得十分危險，核監管機構永遠不會考慮一個能夠吸收超重氫的材料用於核反應爐，而鈹雖然也是低Z材料，H同位素滯留較低，沒有化學濺射，吸氧能力好，但是鈹的缺點是熔點低，物理濺射率高，有氧化毒性並且吸氧後會增加H的滯留。最終，綜合性能最平衡的鎢材料被推到了第一線。

但是，鎢在核聚變裝置中的應用還存在很多問題，如韌脆轉變溫度高(約400℃)、再結晶溫度低(約1400℃)和輻照硬化和脆化等，性能上分別表現為低溫脆性、再結晶脆性和輻照脆性。

為了改善鎢的缺陷，我國科研工作者做了大量的研究，大致提出了三個方案來解決問題，它們分別是使用納米鎢粉，合成鎢基合金和摻雜稀土鎢合金。

科學家發現，儘管鎢被認為聚變裝置最有前途的面對等離子體第一壁材料，但核反應主要產物He和中子輻照都會對鎢造成損害，使鎢設備使用壽命縮短，為了增加鎢材料的缺陷阱，將鎢晶粒細化到納米尺度就很有必要。超細晶粒和納米晶鎢具有更多的晶界，能抵抗更高的He 離子輻照，且晶粒尺寸越小，He 粒子的遷移到缺陷阱的擴散路徑就越短，輻照傷害可大大降低。

其次，鎢由於高的韌脆轉變溫度( DBTT)，在等離子體運行過程中容易產生很強的熱應力，一種明顯有效的方法就是讓鎢與其他塑性好難熔低活化金屬合金化。通過研究，學者們發現，鉭具有良好的塑性，低活化，高的輻照抗力，並且在高能中子輻照下轉變成鎢，進而阻止了脆性相的形成。向鎢基體中加入少量的金屬Ta就能明顯提高鎢基複合材料的塑性。W—Ta合金是未來最有望成為偏濾器主材的鎢基合金。

此外，鎢的彌散性不強，經過鍛燒後研究人員通過研究發現，Ti具有高熔點，低密度，以及與鎢相似的熱膨脹係數等性質，而且可以和納米鎢形成Ti，W 固溶體，是鎢合金的一種較好的增強體材料。試驗表明，經過中子輻照過的鎢和氧化鈦，鎢鈦合金的孔洞密度明顯比純鎢少，相比其他增強相，超細鎢鈦合金的輻照硬化抗力更強。

通過上述方案，科學家改善了鎢材料的一些問題，但是客觀地說，以現有的材料技術還很難滿足未來聚變堆高溫、高壓和強中子輻照的苛刻條件，還需要有很高的提升才能完全滿足未來的核聚變設施商業應用要求。欣喜的是，現如今中國的研發速度已經站在了世界最前列，別國還在“一代太陽”研究上裹足不前，我們就已經開始在實施第二代“人造太陽”計畫了，相信在2050年，中國的“人造太陽”將最先讓我們使用到最清潔、環保、易得的電力能源。

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