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，能源作為現代社會存在和發展的物質基礎，如血液一般驅動著人類社會的運轉。人類廣泛開發利用的能源，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，只能在局部地區開發利用。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。太陽發光發熱持續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。

核聚變燃料的能量密度極高，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，讓能量持續穩定輸出。從清潔性來說，可控核聚變的產物為氦和中子，不排放有害氣體，幾乎不產生放射性物質，不存在核廢料處理問題，不會帶來環境污染，具有環境友好的優點。

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，核反應堆一旦發生泄漏事故，危害難以估算。

可控核聚變的優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，當聚變堆出現事故苗頭時，即時停止加料可即時停止核聚變反應；不產生余熱，也就杜絕了堆芯熔化和泄漏事故的發生。

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的容器制作上。

選中可貴的鎢金屬

承載高溫物質的容器制作，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，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，很少發生吸放氣現象，保證原料氘與氚的再循環作用。

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、低熱膨脹系數、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。在后續研究中，因為商業純鎢及其合金表現出較差的輻射穩定性和斷裂韌性、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。