人造太阳之探索—钨材料升级方案

随着人们对能源的需求持续迅速增长，石油燃料等传统能源在可预见的未来即将枯竭，并带来严峻的环境问题。轻原子核核聚变反应产生的聚变能是解决人类能源问题的重要潜在途径。

国际热核聚变实验堆ITER装置就是人类对探索用核聚变发电的试验工程，目前，全世界有欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度7方参与了这个项目。目前，进度领先的是中国和欧盟，中国的核聚变装置叫EAST，东方超环。

钨在ITER中扮演着重要的角色。钨及钨合金因其具有高熔点、高导热率、高密度、低的热膨胀系数、低蒸气压、低氚滞留、低溅射产额和高自溅射阀值等优异性能，被国际原子能机构认为是今后核聚变装置最有前途的面对等离子体第一壁材料，钨催偏滤器是ITER的关键部件之一。

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。

为了改善钨的缺陷，我国学者做了大量的试驱的研粉，大致提出了三个方案来解决问题，它们分别是使用纳米钨粉，合成钨基合金和掺杂稀土。

科学家发现，尽管钨被认为聚变装置最有前途的面对等离子体第一壁材料，但核反应主要产物 He 和中子辐照都会对钨造成损害，使钨设备使用寿命缩短，为了增加钨材料的缺陷阱，将钨晶粒细化到纳米尺度就很有必要。超细晶粒和纳米晶钨具有更多的晶界，能抵抗更高的He 离子辐照，且晶粒尺寸越小，He 粒子的迁移到缺陷阱的扩散路径就越短，辐照伤害可大大降低。

其次，钨由于高的韧脆转变温度( DBTT) ，在等离子体运行过程中容易产生很强的热应力，一种明显有效的方法就是让钨与其他塑性好难熔低活化金属合金化。通过研究，学者们发现，钽具有良好的塑性，低活化，高的辐照抗力，并且在高能中子辐照下转变成钨，进而阻止了脆性相的形成。向钨基体中加入少量的金属 Ta 就能明显提高钨基复合材料的塑性。W—Ta合金是未来最有望成为偏滤器主材的钨基合金。

此外，钨的弥散性不强，经过锻烧后研究人员通过研究发现，TiC具有高熔点，低密度，以及与钨相似的热膨胀系数等性质，而且可以和纳米钨形成( Ti，W) C 固溶体，是钨合金的一种较好的增强体材料。试验表明，经过中子辐照过的钨和氧化钛，W-TiC 的孔洞密度明显比纯钨少，相比其他增强相，超细 W-TiC的辐照硬化抗力更强。

通过上述方案，科学家改善了钨材料的一些问题。但是，科学也认为，以现有的材料很难满足未来聚变堆高温、高压和强中子辐照的苛刻条件。钨及钨合金因其优异性能，被认为是今后核聚变装置最有前途的面对等离子体第一壁材料，但是还需要有很高的提升才能完全满足未来的核聚变设备商业应用要求，寻找和开发新的适用于未来核聚变装置的抗辐照损伤钨材料也是一项重要的挑战和工作。

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