人造太阳之探索—钨材料升级方案

隨著人們對能源的需求持續迅速增長，石油燃料等傳統能源在可預見的未來即將枯竭，並帶來嚴峻的環境問題。輕原子核核聚變反應產生的聚變能是解決人類能源問題的重要潛在途徑。

國際熱核聚變實驗堆ITER裝置就是人類對探索用核聚變發電的試驗工程，目前，全世界有歐盟、中國、美國、日本、韓國、俄羅斯和印度7方參與了這個項目。目前，進度領先的是中國和歐盟，中國的核聚變裝置叫EAST，東方超環。

鎢在ITER中扮演著重要的角色。鎢及鎢合金因其具有高熔點、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性能，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，鎢催偏濾器是ITER的關鍵部件之一。

但是，钨在核聚变装置中的应用还存在很多问题，如韧脆转变温度高( 约 400℃ ) 、再结晶温度低( 约 1400 ℃ ) 和辐照硬化和脆化等，性能上分别表现为低温脆性、再结晶脆性和辐照脆性。

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，我國學者做了大量的試驅的研粉，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。

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，TiC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) C 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，W-TiC 的孔洞密度明顯比純鎢少，相比其他增強相，超細 W-TiC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，科學也認為，以現有的材料很難滿足未來聚變堆高溫、高壓和強中子輻照的苛刻條件。鎢及鎢合金因其優異性能，被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，但是還需要有很高的提升才能完全滿足未來的核聚變設備商業應用要求，尋找和開發新的適用于未來核聚變裝置的抗輻照損傷鎢材料也是一項重要的挑戰和工作。

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