面向等离子体材料与可控核聚变_葛昌纯

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、 S i C和作为热沉材料的C u。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/C u （直径36m m高30m m）、B4C/C u、 S i C/C u功能梯度材料。图3是W/C u FGM的设计图及制备所得样品。
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（P l a s m a 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20M W m-2)，并且 要承受核聚变反应放出来的能量高达 14M e V的中子的辐照，辐照量将为数 百d p a。同时，14M e V中子的(n2p) 、
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I T E R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。I T E R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。
面向等离子体材料 与可控核聚变
文/葛昌纯
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。
四、首次制备出成分分布系数按 设计要求的B4C/C u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 1.5k e V╳30m A，脉冲宽度100m s，脉冲 间隔4000m s，平均功率密度6.4M W/ m2电子束热冲击下，经1000次没有 发现疲劳裂纹。
术制成S i C/C 块体功能梯度材料；课 题组克服了S i C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S i C/C F G M，在L a s-2000装 置上进行D+离子辐照实验，在3k e V， 4.6╳1015 D+/s.c m2的离子束辐照条件 下，其在700K时总的化学溅射产额为 石墨(S M F-800)化学溅射产额的22%， 在能量5k e V 400m A，脉冲宽度2m s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。
(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。
P F M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
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。
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Academician Interview 院士访谈
输入能量 燃料提供
包层
冷却剂
输入线 变压器
涡轮机 热交换机
输出聚变能
W100% W 80% + Cu 20% W 60% + Cu 40% W 40% + Cu 60% W 80% + Cu 20% Cu 100%
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M o/C u功能 梯度材料（F G M）。对各层的密度、 硬度、电导率等性能进行了测量和分 析，从M o层的相对密度94.2%到C u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214.8M P a；M o/C u F G M第3 层、第4层的热导率分别为204.76W m1K-1和249.71 W m-1K-1。
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M o/C u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 m m×30 m m×30 m m），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6M W/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
2006年11月21日，科技部部长徐 冠华代表中国政府签署了I T E R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I T E R，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。
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 F G M）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
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葛昌纯 中国科学院院士；国际陶瓷科学院层状和梯度材
料协会主席；国际陶瓷科学院自蔓延高温合成协会理 事；世界陶瓷科学院院士；中国金属学会粉末冶金专 业委员会特种材料与制品学术委员会主任委员；世界 陶瓷科学院层状和梯度材料学会主席；世界陶瓷科学 院自蔓延高温合成学会理事；Key Engineering Materials International Journal of SHS Materials Technology和“粉 末冶金工业”等国际、国内刊物的编委。
1952年毕业于唐山工学院（现西南交通大学）冶 金物理系冶金工程专业。1952～1984年在冶金部钢铁 冶金总院先后在冶金室、压力加工室、粉末冶金室担 任专题负责人、高级工程师、研究室副主任。1980年 10月～1983年4 月作为德国洪堡基金会研究员在M a xP l a n c k材料科学研究所和柏林工大非金属材料研究所 从事粉末冶金和先进陶瓷研究，获Dresden技术大学工 学博士学位。1985年起在北京科技大学从事研究和教 学工作，晋升为教授、博士生导师。2001年被选为中 国科学院院士。2006起年任西南交通大学教授、博士 生导师。1988年被人事部评定为“国家有突出贡献中 青年专家”，1990年被国家教委和国家科委评定“全 国高校先进科技工作者”。
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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H L-1上做过原位 实验，或在中国科学院等离子体所的
钨是最有前景的P F M的候选材料。对 于P F M而言必须解决两个难题，一是 P F M自身性能的不断提高；二是P F M 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 P F M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。
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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。
图1 聚变堆发电示意图
图3 W/Cu FGM成分设计图及所制备的样品
UTILIZATION
Q~1, 10 s Q ≥ 10, several 100 s Q = 30 ~ 50 Q ~ 5, steady state steady state
图2 聚变能发展之路
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。
二、发明了熔渗-焊接法制备 W/C u功能梯度材料模块（尺寸为30 m m×30 m m×30 m m），高能电子 束对其热冲击性能测试表明所设计和 制备的W/C u 功能梯度材料模块具有 较好的抗热冲击性能，能承受6M W/
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m2的稳态热流冲击。 三、在国际上首次用粉末冶金技