可控核聚變：再造一個“太陽”

□文/李志帥

美麗的大亞灣核電站

在茫茫宇宙中，作為太陽系的中心天體，太陽算得上一個熱等離子體與磁場交織著的理想球體。太陽質(zhì)量的大約四分之三為氫，剩下的幾乎都是氦，氧、碳、氖、鐵和其他的重元素質(zhì)量少于2%。太陽用核聚變的方式向太空釋放光和熱。

而在地球上，能源作為現(xiàn)代社會存在和發(fā)展的物質(zhì)基礎，如血液一般驅動著人類社會的運轉。人類廣泛開發(fā)利用的能源，包括煤、石油、天然氣等化石能源，不僅不可再生，在使用過程中還產(chǎn)生大量污染。太陽能、地熱、風能、潮汐能等形式的清潔能源，只能在局部地區(qū)開發(fā)利用。頁巖氣、可燃冰等新能源也有消耗殆盡的一天。

有沒有一種能源，無窮無盡、不受制約，又不會對環(huán)境造成污染？科學家告訴我們：還真有這么一種能源——可控核聚變。如果可能，不妨展開大膽的想象，以可控核聚變的產(chǎn)能方式再造一個“太陽”。

核聚變并不可怕

核聚變是兩個較輕的原子核聚合為一個較重的原子核的過程，這個過程釋放出大量能量。太陽發(fā)光發(fā)熱持續(xù)50億年的能量來源，便是氫的同位素——氘與氚的聚變。

核聚變具有眾多優(yōu)勢。從原料上來看，核聚變需要的原料——氘和氚存量豐富。氘可以從海水中提取，氚通過中子與鋰反應生成，而鋰同樣大量存在于地殼和海水中。地球上的氘和氚總量高達40億噸，可供人類用300億年。

核聚變?nèi)剂系哪芰棵芏葮O高，0.6噸氘所蘊含的能量相當于2000000噸煤，換算成石油則是1300000噸，相當于30噸氧化鈾所蘊含的能量。從這個角度來看，核聚變提供的能量是取之不盡、用之不竭的。

科學家們在此基礎上提出可控核聚變，通過有效控制核聚變反應，讓能量持續(xù)穩(wěn)定輸出。從清潔性來說，可控核聚變的產(chǎn)物為氦和中子，不排放有害氣體，幾乎不產(chǎn)生放射性物質(zhì)，不存在核廢料處理問題，不會帶來環(huán)境污染，具有環(huán)境友好的優(yōu)點。

可控核聚變更可靠

雖然核聚變可提供源源不斷的清潔能源，事實上，很多人卻不接受核能。切爾諾貝利核事故或者日本福島核泄露事故并非傳說，核反應堆一旦發(fā)生泄漏事故，危害難以估算。

可控核聚變的優(yōu)勢就在于可靠的安全性能。核聚變反應的條件極為苛刻，燃料必須達到上億攝氏度高溫，滿足足夠高的密度條件，但凡有一個條件不滿足，都會導致核聚變反應溫度、密度的下降，使聚變反應停止。所以，當聚變堆出現(xiàn)事故苗頭時，即時停止加料可即時停止核聚變反應；不產(chǎn)生余熱，也就杜絕了堆芯熔化和泄漏事故的發(fā)生。

可控核聚變至今尚未廣泛投用，原因就在于它需要極為苛刻的反應條件。和平地利用核聚變，問題的關鍵便落到了承載高溫物質(zhì)的容器制作上。

選中可貴的鎢金屬

承載高溫物質(zhì)的容器制作，關鍵在于面向等離子體材料的研制。在熱核聚變裝置中，聚變等離子體的邊緣與其直接面對的材料發(fā)生強烈反應，具有良好性能的面向等離子體材料可以保證聚變堆裝置正常運行。

在聚變裝置內(nèi)，面向等離子體材料直接面向高溫等離子體，保護聚變裝置的第一壁和偏濾器。具有良好的導熱性、抗熱震性、低放射性，與氫的吸附活性低，很少發(fā)生吸放氣現(xiàn)象，保證原料氘與氚的再循環(huán)作用。

金屬鎢及其合金因具有熔點高、高溫高機械強度、高自濺射閾值能量、高熱導系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)、低氚滯留和高抗等離子體侵蝕能力等特點，被選為國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃的面向等離子體第一壁候選材料。

雙納米結構鎢合金問世

尋找完美的化學材料并非一件容易的事。在后續(xù)研究中，因為商業(yè)純鎢及其合金表現(xiàn)出較差的輻射穩(wěn)定性和斷裂韌性、低的延展性與高韌脆轉變溫度，氧化物彌散強化(ODS)成了提高鎢基合金綜合性能的有效途徑之一。

但是，科學家們又面臨一個問題：目前的ODS-W中氧化物顆粒尺寸較大，達不到理想的強韌化效果。來自中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院固體物理研究所的方前鋒研究員課題組大膽借鑒，不斷嘗試，成功制備出高強度的雙納米結構鎢材料。

ODS-Fe中，采用固溶-沉淀機制可以將氧化物顆粒尺寸控制在3 nm以下。借鑒這一經(jīng)驗，研究人員首先利用高能球磨將 Y2O3和Ti“固溶”于W基體中，得到W-1.0% Y2O3-0.7%Ti粉體，再通過放電等離子燒結技術對其進行致密化燒結。此過程中嚴格控制溫度，使得納米尺度Y2Ti2O7顆粒析出，并在鎢基體中均勻彌散分布。鎢晶粒的長大被這些細小的第二相納米顆粒抑制，最終制備出雙納米結構W-1.0%Y2O3-0.7%Ti塊體合金材料。這種納米結構W合金的顯微維氏硬度高達1441 Hv，是普通W合金的2～3倍。

科學家們在納米結構鎢基合金研制方面取得重大進展，意味著人類距離“人造太陽”又走近一步。也許在不久的將來，人類就可以“播種太陽”，通過可控核聚變反應獲得源源不斷的能源供應。