可控核聚变：再造一个“太阳”

□文/李志帅

美丽的大亚湾核电站

在茫茫宇宙中，作为太阳系的中心天体，太阳算得上一个热等离子体与磁场交织着的理想球体。太阳质量的大约四分之三为氢，剩下的几乎都是氦，氧、碳、氖、铁和其他的重元素质量少于2%。太阳用核聚变的方式向太空释放光和热。

而在地球上，能源作为现代社会存在和发展的物质基础，如血液一般驱动着人类社会的运转。人类广泛开发利用的能源，包括煤、石油、天然气等化石能源，不仅不可再生，在使用过程中还产生大量污染。太阳能、地热、风能、潮汐能等形式的清洁能源，只能在局部地区开发利用。页岩气、可燃冰等新能源也有消耗殆尽的一天。

有没有一种能源，无穷无尽、不受制约，又不会对环境造成污染？科学家告诉我们：还真有这么一种能源——可控核聚变。如果可能，不妨展开大胆的想象，以可控核聚变的产能方式再造一个“太阳”。

核聚变并不可怕

核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核的过程，这个过程释放出大量能量。太阳发光发热持续50亿年的能量来源，便是氢的同位素——氘与氚的聚变。

核聚变具有众多优势。从原料上来看，核聚变需要的原料——氘和氚存量丰富。氘可以从海水中提取，氚通过中子与锂反应生成，而锂同样大量存在于地壳和海水中。地球上的氘和氚总量高达40亿吨，可供人类用300亿年。

核聚变燃料的能量密度极高，0.6吨氘所蕴含的能量相当于2000000吨煤，换算成石油则是1300000吨，相当于30吨氧化铀所蕴含的能量。从这个角度来看，核聚变提供的能量是取之不尽、用之不竭的。

科学家们在此基础上提出可控核聚变，通过有效控制核聚变反应，让能量持续稳定输出。从清洁性来说，可控核聚变的产物为氦和中子，不排放有害气体，几乎不产生放射性物质，不存在核废料处理问题，不会带来环境污染，具有环境友好的优点。

可控核聚变更可靠

虽然核聚变可提供源源不断的清洁能源，事实上，很多人却不接受核能。切尔诺贝利核事故或者日本福岛核泄露事故并非传说，核反应堆一旦发生泄漏事故，危害难以估算。

可控核聚变的优势就在于可靠的安全性能。核聚变反应的条件极为苛刻，燃料必须达到上亿摄氏度高温，满足足够高的密度条件，但凡有一个条件不满足，都会导致核聚变反应温度、密度的下降，使聚变反应停止。所以，当聚变堆出现事故苗头时，即时停止加料可即时停止核聚变反应；不产生余热，也就杜绝了堆芯熔化和泄漏事故的发生。

可控核聚变至今尚未广泛投用，原因就在于它需要极为苛刻的反应条件。和平地利用核聚变，问题的关键便落到了承载高温物质的容器制作上。

选中可贵的钨金属

承载高温物质的容器制作，关键在于面向等离子体材料的研制。在热核聚变装置中，聚变等离子体的边缘与其直接面对的材料发生强烈反应，具有良好性能的面向等离子体材料可以保证聚变堆装置正常运行。

在聚变装置内，面向等离子体材料直接面向高温等离子体，保护聚变装置的第一壁和偏滤器。具有良好的导热性、抗热震性、低放射性，与氢的吸附活性低，很少发生吸放气现象，保证原料氘与氚的再循环作用。

金属钨及其合金因具有熔点高、高温高机械强度、高自溅射阈值能量、高热导系数、低热膨胀系数、低氚滞留和高抗等离子体侵蚀能力等特点，被选为国际热核聚变实验堆(ITER)计划的面向等离子体第一壁候选材料。

双纳米结构钨合金问世

寻找完美的化学材料并非一件容易的事。在后续研究中，因为商业纯钨及其合金表现出较差的辐射稳定性和断裂韧性、低的延展性与高韧脆转变温度，氧化物弥散强化(ODS)成了提高钨基合金综合性能的有效途径之一。

但是，科学家们又面临一个问题：目前的ODS-W中氧化物颗粒尺寸较大，达不到理想的强韧化效果。来自中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所的方前锋研究员课题组大胆借鉴，不断尝试，成功制备出高强度的双纳米结构钨材料。

ODS-Fe中，采用固溶-沉淀机制可以将氧化物颗粒尺寸控制在3 nm以下。借鉴这一经验，研究人员首先利用高能球磨将 Y2O3和Ti“固溶”于W基体中，得到W-1.0% Y2O3-0.7%Ti粉体，再通过放电等离子烧结技术对其进行致密化烧结。此过程中严格控制温度，使得纳米尺度Y2Ti2O7颗粒析出，并在钨基体中均匀弥散分布。钨晶粒的长大被这些细小的第二相纳米颗粒抑制，最终制备出双纳米结构W-1.0%Y2O3-0.7%Ti块体合金材料。这种纳米结构W合金的显微维氏硬度高达1441 Hv，是普通W合金的2～3倍。

科学家们在纳米结构钨基合金研制方面取得重大进展，意味着人类距离“人造太阳”又走近一步。也许在不久的将来，人类就可以“播种太阳”，通过可控核聚变反应获得源源不断的能源供应。