什么使中国将美国材料垄断价格降低了90%

“人造太阳”项目有望2050年点亮你家灯泡

昨日，一则有关人造太阳的新闻登上了各大科技新闻网站头条。据小编所知，人造太阳是一座大型托卡马克反应堆，也就是核聚变反应堆，在人造太阳的材料构造中，钨扮演着非常重要的角色，至于有哪些作用，且听小编分解。

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据华西都市报10月23日讯:一个集结了包括中国在内的30多个国家的顶尖科学家，目前世界上最大的科学合作工程——国际热核聚变实验堆计划(简称“ITER”)正在有条不紊地进行着。由于项目模拟自太阳内部的核聚变原理，这个工程还有一个更加形象的名字：“人造太阳”, 以当前项目的进度速度来评估，中国预计将于2050年实现商业化应用。

人造太阳是一个多国联合攻关的国际热核聚变实验堆计划(简称“ITER”)。ITER实验堆建在法国，建造预算约55亿美元；技术方面，中国承担其中约10%的研发制造任务——由核工业西南物理研究院、中科院等离子体物理研究所等单位科学家具体承担。其中，位于成都的核工业西南物理研究院承担了其中约一半部件研发的重任。

目前，托卡马克核聚变能源来自氢的同位素，氘和氚的剧烈反应。一公升海水里提取出的氘，完全聚变反应可释放相当于燃烧300升汽油的能量。科托卡马克装置的温度已升至5500万℃，这是迄今为止国内装置达到的最高温度。“要实现受控核聚变反应，必须达到上亿摄氏度以上的高温，以及足够高的密度等，如果因某种原因导致条件不能满足，聚变反应就会停止。

在ITER中，钨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，不单如此，钨合金偏滤器也是ITER的关键部件之一。

什么是第一壁？实验装置中的聚变物质时刻释放着高强度的热辐射。核心区最高温度能达到1亿摄氏度，如果材料性能不佳，要么就被高温瞬间融化，要么就会让反应堆这座锅炉熄灭。中国科学家说，要构建起“人造太阳”的核心，需要特殊的材料筑起一道“防火墙”，来抵御装置内部上亿摄氏度的高温环境。在2006年，业内普遍认为“铍”是最佳选择，世界上拥有这种材料的高纯度提取和制造工艺技术的国家中，美国处于技术垄断地位，高纯度“铍”一公斤对外销售在一百万元人民币以上。由于材料的稀缺性，美国只是少量出售，有钱还买不到。”从那时起，中国团队开始致力于研发国产的第一壁材料，经过长达十年的研究，新型特殊材料终于问世，并将美国垄断价格降低了90%。

是什么材料让美国垄断价格降低了90%？这种新型特殊材料就是以钨为基础的钨基合金材料。这里小编要科普一下，最早的人造太阳第一壁材料的选择有碳、铍和钨，但为什么我们选钨呢？这是因为钨及钨合金有着高熔点、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的性能，能适配人造太阳计划的大部分要求。

最早期，ITER用的是碳纤维，小编从资料中了解到，当时ITER的第一壁材料和偏滤器材料配备的是外层碳装置，因为碳纤维复合材料的溶点也很高，热抵抗性好、抗热疲劳性也好，还能够承受边界局域模、如果发生爆炸进入等离子体，偏滤器不会溶化。然而，碳的真正问题在于它很容易和氢气发生反应。当研究人员准备采用真正的聚变燃料重氢时，碳涂层就会释放出放射性，变得十分危险，核监管机构永远不会考虑一个能够吸收超重氢的材料用于核反应堆，而铍虽然也是低Z材料，H同位素滞留较低，没有化学溅射，吸氧能力好，但是铍的缺点是熔点低，物理溅射率高，有氧化毒性并且吸氧后会增加H的滞留。最终，综合性能最平衡的钨材料被推到了第一线。

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，我国科研工作者做了大量的研究，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钨合金。

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，Ti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 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，钨钛合金的孔洞密度明显比纯钨少，相比其他增强相，超细钨钛合金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，但是客观地说，以现有的材料技术还很难满足未来聚变堆高温、高压和强中子辐照的苛刻条件，还需要有很高的提升才能完全满足未来的核聚变设施商业应用要求。欣喜的是，现如今中国的研发速度已经站在了世界最前列，别国还在“一代太阳”研究上裹足不前，我们就已经开始在实施第二代“人造太阳”计划了，相信在2050年，中国的“人造太阳”将最先让我们使用到最清洁、环保、易得的电力能源。

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