面向等离子体材料与可控核聚变

       编者按：相比核裂变，核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题，其原料可直接取自海水中的氘，来源几乎取之不尽，是理想的能源方式。

　　但是要想把这种能量为人类所有效利用，我们还有很长的路要走，它的关键问题之一是面临高温等离子体的第一壁结构材料。可以说，现在世界上已有的材料中尚没有任何一种能胜任第一壁的工作要求。

　　近些年中国经济持续高速发展，举世瞩目。但是制约中国经济发展的一些瓶颈问题日渐显现，其中颇为突出的就是能源问题。我国自然资源的基本特点是富煤、贫油、少气。我国煤炭虽然储量丰富，但是分布不均，尤其是煤炭作为能源，污染严重，致使我国能源使用排放的温室气体仅次于美国，居世界第二位，为环境外交所瞩目。核能的发现和应用，是人类在二十世纪最伟大的科学技术成就之一。与太阳能、水能、风能、地热等清洁能源相比，核能不受时间和地域的限制，尤其受控热核聚变能是公认的“资源无限”、可以“永远”解决人类未来能源需求和保护环境的重要途径之一。

　　氘氚聚变反应可以释放出大量能量，其所需燃料在地球上预计约能使用3000万年以上。聚变反应堆不产生硫、氮氧化物等环境污染物质，不释放温室效应气体；氘氚反应的产物没有放射性，中子对堆结构材料的活化也只产生少量较容易处理的短寿命放射性物质。上个世纪八十年代美、苏、日、欧盟设立了国际热核聚变实验反应堆(International Thermo-nuclear Experimental Reactor, 简称ITER)计划。并且在本世纪初确定了ITER的设计概要，标志了受控热核聚变技术从基础研究阶段进入到了确认设备性能的工程可行性阶段。ITER现已在法国南部马赛附近的卡达拉舍开始建设，这是工程可行性研究的第一步，第二步是研制示范聚变堆，第三步才是研制商用聚变堆。

　　2006年11月21日，科技部部长徐冠华代表中国政府签署了ITER计划的联合实验协定及相关文件，这是中国科学家首次和欧美等发达国家的科学家一起研究的重大科学项目，是国际上仅次于国际空间站的重大国际合作项目。中国此次加入ITER，分担研究了一部分项目。而接下来的工作有很多，国内相关领域的科学家应该提早研究，争取在我国尽早地建立起示范聚变堆和商用聚变堆。

　　制约核聚变堆研究的关键问题之一是面临高温等离子体的第一壁结构材料，即面向等离子体材料（Plasma Facing Materials, PFM）。PFM指在磁约束可控热核聚变反应装置中直接面对等离子体的第一壁和偏滤器、限制器的装甲材料。核聚变装置相当于装高温等离子体的炉子，最受考验的是内壁，其表面要承受高温、极高的表面热负荷（最高约20MWm-2)，并且要承受核聚变反应放出来的能量高达14MeV的中子的辐照，辐照量将为数百dpa。同时，14MeV中子的(n2p) 、(n,α)核嬗变反应所产生的大量的氢、氦对材料的性能会产生巨大影响。可以说，现在世界上已有的材料中尚没有任何一种可能胜任第一壁的工作要求。

　　PFM的主要功能是：有效地控制进入等离子体的杂质；有效地移走辐射到材料表面的热功率；保护非正常停堆时其它部件免受等离子体轰击而损坏。同时，面对等离子体材料应与反应堆运行寿命、可靠性和维护相一致。因此，面对等离子体材料的总体要求是耐高温、低溅射、低氢(氚)滞留及与结构材料兼容。碳基材料和钨是最有前景的PFM的候选材料。对于PFM而言必须解决两个难题，一是PFM自身性能的不断提高；二是PFM与铜基热沉材料的有效连接。目前欧盟、日本、美国等国对碳基和钨基PFM进行了较深入的研究，我国则起步较晚。

　　单一材料或涂层材料已不能满足前沿科研领域发展的需求，例如，在航天飞行器上的，需要能承受1000摄氏度以上的高温度差的材料。但通常的涂层材料，即在金属表面涂上陶瓷涂层，由于陶瓷和金属的膨胀系数相差很大，反复多次就会开裂。

　　什么样的材料才能达到如此高的要求呢？1984年，日本Masayuki Niino博士等三位科学家在研究航天飞行器所需高温结构材料时提出了功能梯度材料（Functionally Graded Materials, 简称 FGM）这一材料设计的新概念。所谓功能梯度材料是指材料成分和结构是逐步过渡的材料。由于是逐步过渡，从而大大减小了由于异种材质膨胀系数失配使材料在高温度差下产生的过大的热应力，显著提高了材料的抗热冲击性和抗热震性。后来，材料科学家们又把梯度材料这一设计概念从高温结构材料推广应用到各种功能材料上来。这是一个非常重要的研究方向，于1996年由我向有关部门提交了耐高温等离子体冲刷的功能梯度材料的科研顶层设计项目建议书，设想这种材料可以运用在三个方面，一是为受控核聚变提供耐高温等离子体冲刷的材料，二是可以用于激光核聚变，三是可以在航空航天上用。这项建议得到了国家有关部门的重视和核工业西南核物理研究院的合作，863新材料专家委员会在听取了论证报告、通过答辩后于1997年7月批准了这个项目。

　　该课题组经过十年努力，较深入地研究了弹塑性有限元分析和优化设计、超高压力通电烧结、熔渗-焊接法制备模块、活性金属真空钎焊、活性金属铸造、自蔓延燃烧预热爆炸固结、分次热压等新技术，成功地制备出了多个体系的耐等离子体冲刷的功能梯度材料，包括钨和铜、碳化硅和铜、碳化硼和铜、钼和铜、碳化硅和碳、碳化硼和碳功能梯度材料等，其中碳化硅和铜、碳化硼和铜、碳化硅和碳、碳化硼和碳体系的功能梯度材料在国际上尚未见前人报道。这些体系的材料分别在中国主要的托卡马克核聚变实验装置，核工业西南物理研究院中国环流器1号HL-1上做过原位实验，或在中国科学院等离子体所的HT-7上进行过等离子体辐照实验。

　　十年来，课题组的研究突破了八项关键技术，申请了8项发明专利，在国际著名刊物上和国际重要学术会议上发表了近50篇论文。培养了研究生12名，有的已被输送到国内外著名的核聚变研究单位。所发展的材料体系和关键技术是：

　　一、采用功能梯度材料的概念连接作为面向等离子体材料的W、B4C、SiC和作为热沉材料的Cu。发明了一种制备梯度材料的新技术：超高压力梯度烧结技术。这种技术很好的解决了对于组成熔点和烧结温度差别大的梯度材料无法一次烧结的世界性制备难题。可用于制备一大类陶瓷/金属、金属/金属梯度材料。采用这种方法制备了三个不同材料体系的耐高温等离子体冲刷的功能梯度材料，包括W/Cu（直径36mm高30mm）、B4C/Cu、SiC/Cu功能梯度材料。图3是W/Cu FGM的设计图及制备所得样品。

　　二、发明了熔渗-焊接法制备W/Cu功能梯度材料模块（尺寸为30 mm×30 mm×30 mm），高能电子束对其热冲击性能测试表明所设计和制备的W/Cu 功能梯度材料模块具有较好的抗热冲击性能，能承受6MW/m2的稳态热流冲击。

　　三、在国际上首次用粉末冶金技术制成SiC/C 块体功能梯度材料；课题组克服了SiC和高含量石墨不能烧结在一起的困难，用粉末冶金技术成功地制取了SiC/C FGM，在Las-2000装置上进行D+离子辐照实验，在3keV，4.6╳1015 D+/s.cm2的离子束辐照条件下，其在700K时总的化学溅射产额为石墨(SMF-800)化学溅射产额的22%，在能量5keV 400mA，脉冲宽度2ms的电子束热冲击下经250次不裂。并首次设计和制成了B4C/C功能梯度材料。

　　四、首次制备出成分分布系数按设计要求的B4C/Cu涂层梯度材料；通过设计优化了成分分布，其最高化学溅射产额为石墨的16%，其对甲烷解吸产额为石墨的30-50%，其在能量1.5keV╳30mA，脉冲宽度100ms，脉冲间隔4000ms，平均功率密度6.4MW/m2电子束热冲击下，经1000次没有发现疲劳裂纹。

　　五、发明了一种采用超高压力下通电烧结法制备超细晶粒难熔金属的新技术。

　　六、发明了采用Ti基非晶焊料通过真空钎焊的方法对掺杂石墨和铜进行连接的新方法，试验结果和设计结果具有很好的吻合，通过Mo/Cu复合中间层的加入能够有效的缓解钎焊过程中产生的热应力，从而获得性能优良的掺杂石墨和铜的连接件。使用此方法成功制备了面向等离子体模块（尺寸为30 mm×30 mm×30 mm），高能电子束热冲击测试结果表明所设计和制备的掺杂石墨/铜模块具有较好的抗热冲击性能，能承受6MW/m2的稳态热流冲击。另外，还采用直接活性金属铸造的新方法对石墨和铜的连接进行了试验，该方法与国外已经报导的结果相比，具有更简单的工艺过程和更低的成本优势。

　　七、与北京理工大学合作设计并采用自蔓延燃烧预热，水介质缓冲双向爆炸固结的方式制备了Mo/Cu功能梯度材料（FGM）。对各层的密度、硬度、电导率等性能进行了测量和分析，从Mo层的相对密度94.2%到Cu层的相对密度98.4%，试样整体的相对密度达95.5%。Mo/Cu FGM第1层与第2层的剪切强度为214.8MPa；Mo/Cu FGM第3层、第4层的热导率分别为204.76Wm-1K-1和249.71 W m-1K-1。

　　对聚变材料研究目前需要的是：从堆的详细设计中得出，聚变堆对材料性能提出的要求是什么？即这种要求使得通过对材料的改进和工艺技术的进步是可以达到的，同时又能满足商用聚变堆的经济性能要求。低活性材料使聚变能更清洁，更符合环境的要求，从长远角度看，也更为经济(减少后处理费用)，是材料发展的方向。聚变材料研究发展目标是：开发新材料，提高材料性能；理解材料在堆环境中的行为和行为结果；建立材料数据库，为堆工程设计提供所需数据。

　　总的来说，我国核聚变材料的研究与国际水平差距较大，我们还处于基础研究的试样水平，在许多发达国家聚变材料研究经费在聚变研究中所占比例逐渐增加的同时，我国核聚变材料的投入却在聚变研究中不成比例。在核聚变堆材料研究方面缺乏统筹安排和长远规划。由于国内没有连续资助，原来的核聚变堆材料研究队伍也四散分离，原有的设备得不到维护，新设备更无从建设。

　　而国际上，聚变材料研究已侧重于材料的开发，工程实验数据的获取和积累。我国的聚变材料研究已参与了国际合作，如能有适当的投入，对提高我国的材料研究水平将会起到事半功倍的效果。

　　实现核聚变及其和平利用无疑是人类最终解决能源问题的希望。人类探索核聚变这种新能源的努力将会继续下去，世界各国的总投入仍将上升，探索的步伐也将加快，这是人类面临的共同的能源总体需求所确定的。今后几十年内，我们如果解决核聚变反应堆的材料问题和物理工程等问题，让第一个核聚变反应堆发出的强大电能输入电网，一个崭新的和平利用核能的新世纪(35.18,0.42,1.21%)即可宣布开始。