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          面向等離子體材料與可控核聚變

          來源:    作者:admin    發布時間:2014-01-24    

          編者按:相比核裂變,核聚變幾乎不會帶來放射性污染等環境問題,其原料可直接取自海水中的氘,來源幾乎取之不盡,是理想的能源方式。


            但是要想把這種能量為人類所有效利用,我們還有很長的路要走,它的關鍵問題之一是面臨高溫等離子體的首壁結構材料??梢哉f,現在世界上已有的材料中尚沒有能勝任首壁的工作要求。


            近些年中國經濟持續高速發展,舉世矚目。但是制約中國經濟發展的一些瓶頸問題日漸顯現,其中頗為突出的就是能源問題。我國自然資源的基本特點是富煤、貧油、少氣。我國煤炭雖然儲量豐富,但是分布不均,尤其是煤炭作為能源,污染嚴重,致使我國能源使用排放的溫室氣體僅次于USA,居世界二位,為環境外交所矚目。核能的發現和應用,是人類在二十世紀偉大的科學技術成就之一。與太陽能、水能、風能、地熱等清潔能源相比,核能不受時間和地域的限制,尤其受控熱核聚變能是公認的“資源”、可以解決人類未來能源需求和保護環境的重要途徑之一。


            氘氚聚變反應可以釋放出大量能量,其所需燃料在地球上預計約能使用3000萬年以上。聚變反應堆不產生硫、氮氧化物等環境污染物質,不釋放溫室效應氣體;氘氚反應的產物沒有放射性,中子對堆結構材料的活化也只產生少量較容易處理的短壽命放射性物質。上個世紀八十年代美、蘇、日、歐盟設立了國外熱核聚變實驗反應堆(International Thermo-nuclear Experimental Reactor, 簡稱ITER)計劃。并且在本世紀初確定了ITER的設計概要,標志了受控熱核聚變技術從基礎研究階段進入到了確認設備性能的工程可行性階段。ITER現已在法國南部馬賽附近的卡達拉舍開始建設,這是工程可行性研究的首步,其次步是研制示范聚變堆,第三步才是研制商用聚變堆。


            2006年11月21日,科技部部長徐冠華代表中國政府簽署了ITER計劃的聯合實驗協定及相關文件,這是中國科學家和歐美等發達國家的科學家一起研究的重大科學項目,是國外上僅次于國外空間站的重大國外合作項目。中國此次加入ITER,分擔研究了一部分項目。而接下來的工作有很多,國內相關領域的科學家應該提早研究,爭取在我國盡早地建立起示范聚變堆和商用聚變堆。


            制約核聚變堆研究的關鍵問題之一是面臨高溫等離子體的首壁結構材料,即面向等離子體材料(Plasma Facing Materials, PFM)。PFM指在磁約束可控熱核聚變反應裝置中直接面對等離子體的首壁和偏濾器、限制器的裝甲材料。核聚變裝置相當于裝高溫等離子體的爐子,受考驗的是內壁,其表面要承受高溫、很高的表面熱負荷(高約20MWm-2),并且要承受核聚變反應放出來的能量高達14MeV的中子的輻照,輻照量將為數百dpa。同時,14MeV中子的(n2p) 、(n,α)核嬗變反應所產生的大量的氫、氦對材料的性能會產生巨大影響??梢哉f,現在世界上已有的材料中尚沒有一種可能勝任首壁的工作要求。


            PFM的主要功能是:有效地控制進入等離子體的雜質;有效地移走輻射到材料表面的熱功率;保護非正常停堆時其它部件免受等離子體轟擊而損壞。同時,面對等離子體材料應與反應堆運行壽命、可靠性和維護相一致。因此,面對等離子體材料的總體要求是耐高溫、低濺射、低氫(氚)滯留及與結構材料兼容。碳基材料和鎢是有前景的PFM的候選材料。對于PFM而言須解決兩個難題,一是PFM自身性能的不斷提高;二是PFM與銅基熱沉材料的有效連接。目前歐盟、日本、usa等國對碳基和鎢基PFM進行了較深入的研究,我國則起步較晚。


            單一材料或涂層材料已不能滿足前沿科研領域發展的需求,例如,在航天飛行器上的,需要能承受1000攝氏度以上的高溫度差的材料。但通常的涂層材料,即在金屬表面涂上陶瓷涂層,由于陶瓷和金屬的膨脹系數相差很大,反復多次就會開裂。


            什么樣的材料才能達到如此高的要求呢?1984年,日本Masayuki Niino博士等三位科學家在研究航天飛行器所需高溫結構材料時提出了功能梯度材料(Functionally Graded Materials, 簡稱 FGM)這一材料設計的新概念。所謂功能梯度材料是指材料成分和結構是逐步過渡的材料。由于是逐步過渡,從而大大減小了由于異種材質膨脹系數失配使材料在高溫度差下產生的過大的熱應力,顯著提高了材料的抗熱沖擊性和抗熱震性。后來,材料科學家們又把梯度材料這一設計概念從高溫結構材料推廣應用到各種功能材料上來。這是一個非常重要的研究方向,于1996年由我向有關部門提交了耐高溫等離子體沖刷的功能梯度材料的科研頂層設計項目建議書,設想這種材料可以運用在三個方面,一是為受控核聚變提供耐高溫等離子體沖刷的材料,二是可以用于激光核聚變,三是可以在航空航天上用。這項建議得到了國家有關部門的重視和核工業西南核物理研究院的合作,863新材料專家委員會在聽取了論證報告、通過答辯后于1997年7月批準了這個項目。


            該課題組經過十年努力,較深入地研究了彈塑性有限元分析和優化設計、高壓力通電燒結、熔滲-焊接法制備模塊、活性金屬真空釬焊、活性金屬鑄造、自蔓延燃燒預熱爆炸固結、分次熱壓等新技術,成功地制備出了多個體系的耐等離子體沖刷的功能梯度材料,包括鎢和銅、碳化硅和銅、碳化硼和銅、鉬和銅、碳化硅和碳、碳化硼和碳功能梯度材料等,其中碳化硅和銅、碳化硼和銅、碳化硅和碳、碳化硼和碳體系的功能梯度材料在國外上尚未見前人報道。這些體系的材料分別在中國主要的托卡馬克核聚變實驗裝置,核工業西南物理研究院中國環流器1號HL-1上做過原位實驗,或在中國科學院等離子體所的HT-7上進行過等離子體輻照實驗。

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