尋覓 花十年找材料

將美國壟斷技術(shù)造價(jià)降低90%

什么是第一壁？實(shí)驗(yàn)裝置中的聚變物質(zhì)時(shí)刻釋放著高強(qiáng)度的熱輻射。核心區(qū)最高溫度能達(dá)到1億℃，如果材料性能不佳，要么就被高溫瞬間融化，要么就會(huì)讓反應(yīng)堆這座鍋爐熄滅。王平懷說，要構(gòu)建起“人造太陽”的核心，需要特殊的材料筑起一道“防火墻”，來抵御裝置內(nèi)部上億℃的高溫環(huán)境。在整個(gè)國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃中，多個(gè)國家都在研制這樣的高溫核心材料。中國科學(xué)家承擔(dān)研制的這種材料，處于反應(yīng)堆最核心位置，直接面對高溫聚變物質(zhì)，因而被稱為反應(yīng)堆的“第一壁”。2006年，中國正式加入ITER，接受了研制熱核聚變反應(yīng)堆核心部件的工作。十多年來，過五關(guān)斬六將，王平懷團(tuán)隊(duì)開啟了攻克“第一壁”的漫長科研路。王平懷說，尋找“第一壁”，第一關(guān)就是材料。面對上億℃高溫的炙烤，任何普通材料瞬間就會(huì)灰飛煙滅。當(dāng)時(shí)，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為一種特殊的金屬材料耐熱性高，是最佳選擇。彼時(shí)，世界上擁有這種材料的高純度提取和制造工藝技術(shù)的國家中，美國處于技術(shù)壟斷地位。這種高純度金屬材料，一公斤對外銷售超上百萬元人民幣。由于材料的稀缺性，美國只是少量出售。“大部分時(shí)候，是有錢都買不到的。”王平懷說。為此，從2004年2013年，團(tuán)隊(duì)成員從高純度金屬材料提取開始，進(jìn)行了長達(dá)十年的特殊材料研制工作。由王平懷所在團(tuán)隊(duì)自主研制的材料問世后，將美國壟斷價(jià)格降低了90%。

失落 模件決定命運(yùn)

一年半時(shí)間失敗十幾次

單程將近30個(gè)小時(shí)的火車，一路從成都平原越過秦嶺之巔，再到塞外的黃沙和肅殺，最后抵達(dá)終點(diǎn)站寧夏的一個(gè)小城。從2014年到2015年10月，一年多里，這條跨越1300公里的鐵路線，成了王平懷所在項(xiàng)目組32個(gè)成員共同的夢魘，項(xiàng)目遇到了真正的低迷期。解決了“第一壁”材料問題后，王平懷們接下來要破解的是結(jié)構(gòu)問題。研制人員想到了一種特殊的結(jié)構(gòu)，把熱量及時(shí)地傳走。那是一塊看上去像三明治一樣的結(jié)構(gòu)，底下是不銹鋼，中間是銅合金，上面則是特殊的高純度金屬材料。再用特殊的方法，將這些材料結(jié)合到一起。如何將兩個(gè)“個(gè)性”完全不同的材料，形成一個(gè)完整的功能件，成為他們面臨的新難題。“可以說，這也是我們過去五年最痛苦的歷程。”王平懷坦言，兩者的物理性相差實(shí)在是太大。上面那層金屬材料是最輕、也是最活潑的堿性金屬元素組成，熱導(dǎo)率比銅和金差了一倍以上。兩者強(qiáng)行連接在一起，會(huì)形成一種新的物相，易脆，易斷裂。尤其是2013年底，ITER更改了相關(guān)設(shè)計(jì)，對于“第一壁”的制作要求更加苛刻。

這種工藝上的高難度，也讓“第一壁”研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了長達(dá)一年多的低迷期。更改設(shè)計(jì)之后，他們制作的模塊成功率不到20%。

王平懷至今記得那段灰暗的日子。由于四川沒有相關(guān)的機(jī)加工工廠，每次模塊的最終機(jī)加工要送到寧夏。每次從設(shè)計(jì)制作到檢測出來，大概需要三周時(shí)間。30小時(shí)的旅途，對于送模塊的人來說，疲憊，但是帶著希望。

從成都到塞外，風(fēng)景一路轉(zhuǎn)變。這一切對于項(xiàng)目組成員來說，任憑風(fēng)光無限，對他們都毫無意義。包里揣著的那幾公斤模塊件，更像是懷揣著整個(gè)項(xiàng)目組的心血和“第一壁”的前途與命運(yùn)。

王平懷記得，每次成員把模塊件拿回來，32個(gè)人都會(huì)圍著兩個(gè)檢測人員。那一刻，空氣好像都凝固了，大氣不敢出，生怕把好運(yùn)氣吹跑了。檢測的過程很短。很快，人群中的低氣壓便彌漫開來。彼此相視時(shí)，有的也只是互相搖頭和嘆氣。“那段時(shí)間，組里的氣氛實(shí)在太壓抑了。”王平懷說，以至于院里的領(lǐng)導(dǎo)在公開場合都要心照不宣地為他們加油打氣。

歡悅 他們終于成功

提交了十多項(xiàng)國家專利申請

這樣的氣氛，一直持續(xù)到2015年10月1日。

那天，人們都在忙于休假，“第一壁”主要成員卻早早地來到了辦公室，等待遠(yuǎn)方歸來的王平懷，那一次去寧夏送模塊的正是他。

有人自告奮勇去車站接他回來，然后一路小心翼翼地護(hù)送他到辦公室。過去的無數(shù)次失敗中，該排查和梳理的問題點(diǎn)，都已經(jīng)排查并且進(jìn)行了修正，這一次，應(yīng)該不會(huì)再出問題了吧。那天到檢測室的人并不多，只有六七個(gè)。王平懷清楚地記得，還是圍著兩個(gè)負(fù)責(zé)檢測的工作人員，空氣再次凝固。這一次，他們終于成功了。壓抑了太久的項(xiàng)目組，氣氛輕松起來，顧不得平時(shí)的矜持，大家緊緊擁抱在一起。由于這次創(chuàng)造性的突破，僅僅是他們攻克的兩種材料的連接工藝，項(xiàng)目組就提交了多達(dá)十幾項(xiàng)國家專利申請。

希望之源

核聚變的優(yōu)勢是顯而易見的，如何真正實(shí)現(xiàn)受控的核聚變，以至于未來的并網(wǎng)發(fā)電，還有漫長的路要走。

“人造太陽”并網(wǎng)發(fā)電

有望2050年點(diǎn)亮四川人的燈泡

到今年為止，國家“青年千人計(jì)劃”學(xué)者、核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所副所長許敏，已經(jīng)在環(huán)流器二號A裝置上耕耘了五年。

過去五年里，他們?nèi)〉昧撕芏喑删汀Ｆ┤纾瑢?shí)驗(yàn)裝置的加熱功率至少翻了一倍，加熱手段也更多了。裝置運(yùn)行時(shí)，里面燃料的溫度一般是2000萬~3000萬℃，現(xiàn)在十幾毫秒甚至幾毫秒就可以達(dá)到。此外，持續(xù)加熱以及尋找諸如構(gòu)成“第一壁”這樣的高溫耐熱材料，是未來的重要命題。

目前，38歲的許敏還在積極培養(yǎng)后備軍，成立了一個(gè)由全國各個(gè)高校聚變領(lǐng)域的青年學(xué)子組成的課題組。他們剛剛初步建成了目前中國最大的直線等離子體裝置，目的在于尋找適合建造核聚變堆的新型耐高溫材料。“還有一個(gè)難題，來自于核聚變所需要的除了氘以外的另一種原料氚。氘和氚的劇烈反應(yīng)，才能發(fā)生聚變。”許敏說，氚的半衰期只有12.3年，而每年一個(gè)100萬千瓦的核聚變電站發(fā)電就要燃燒56公斤的氚。

作為地球上最稀有的元素，氚的成本非常高。許敏說，一個(gè)最好的辦法，就是在核聚變反應(yīng)中產(chǎn)生氚，并且使得氚能夠自持。這也就意味著，燃燒掉了多少氚，還要產(chǎn)生出等量的氚來。

雖然研究過程耗資高昂，核聚變試驗(yàn)可能還要幾代人的心血，不過，許敏對于核聚變的發(fā)展還是非常樂觀。首先，在研究“人造太陽”的過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的前沿尖端技術(shù)。很多都有廣泛的軍事和商業(yè)應(yīng)用前景。

以試驗(yàn)中使用的高功率微波技術(shù)來說，可以廣泛使用到通信領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化并能夠節(jié)省大量成本。其次，等到核聚變電站能夠并網(wǎng)發(fā)電后，核聚變能源的生產(chǎn)成本相對低廉，普通老百姓都能消費(fèi)得起。“目前業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)是2050年。我算了一下，那個(gè)時(shí)候，我應(yīng)該可以看到。”許敏說，期待燈泡被核聚變點(diǎn)亮。

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讀數(shù)

1億℃

等離子體天性“放蕩不羈”，要實(shí)現(xiàn)受控核聚變反應(yīng)，必須達(dá)到上億℃以上高溫，以及足夠高的密度等。目前，核工業(yè)西南物理研究院研發(fā)的托卡馬克裝置溫度已升至5500萬℃，這是迄今為止國內(nèi)裝置達(dá)到的最高溫度。如何持續(xù)給裝置加溫，達(dá)到“點(diǎn)火”要求，是繼續(xù)面臨的課題。

100萬元

構(gòu)建“人造太陽”核心，必須用一種特殊金屬材料筑起防火墻，這種高純度金屬一公斤對外銷售超過上百萬元人民幣。從2004年-2013年，核工業(yè)西南物理研究院團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了長達(dá)十年的特殊材料研制，如今自主研制的材料問世后，將美國壟斷價(jià)格降低了90%。

2050年

研究過程耗資高昂，核聚變試驗(yàn)可能還要幾代人的心血。等到核聚變電站能夠并網(wǎng)發(fā)電后，核聚變能源的生產(chǎn)成本相對低廉，普通老百姓都能消費(fèi)得起。目前，業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)是2050年。