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  近段时间，中国研发出一种高纯度、高强度的“超强金属”。据《南华早报》报道称，近日，中科院物质科学研究院已经生产出“最强”的钨块体材料，并表示制造工艺能使其用于苛刻的应用。目前，吴学邦研究员的相关成果，已在国际顶级学术期刊上发表。
  从期刊公开的数据上看，吴学邦研究员研制的钨材料，纯度极高，抗拉强度1.35千兆帕。这代表着：我国的钨材料要比目前世界上大多数钨合金属性都要强，对于我国“可控核聚变”反应堆的发展，可谓是至关重要！
  钨是自然元素中最重、最硬的一种元素，在所有金属中其熔点也是最高的，可达3410摄氏度，这也决定了钨可以提高在极端环境中使用设备的性能。但钨也不是无坚不摧的，完全由钨粉制成的部件在受到拉伸或其他受力情况下很容易开裂或破裂。
  由于金属钨具有高熔点、低蒸气压、导热性好、高温 强度、结构稳定性和化学稳定性等优点，在聚变堆材料的问题上，是等离子体材料（pfm）的最佳候选材料。
  不过，由于纯钨存在低温脆性、高温再结晶脆性和辐照脆性等短板，使金属钨长时间以来都是制约聚变能发展的瓶颈之一。
因此，如何研发出兼具低温韧性和高强度的钨材料，就成了国内外研究人员的重中之重。但没有想到的是，这项难题竟然率先被我国攻克了，这一消息也引起了国内外的广泛关注。
  众所周知，可控核聚变的起源，来源于太阳。太阳的核聚变，可以直接从h原子（质子）开始，两个原子核互相碰撞，形成新的原子核。碰撞的路径被称为质子链，最终新的原子核就是氦。

  我们都知道，原子核带正电，碰撞、聚变、形成新原子核的过程中，要克服库仑力。融合的瞬间，这就要用到量子力学的隧道效应。（隧道效应：两个原子核发生碰撞，跨过二者之间的距离）

  核物理学家表示：隧道效应的决定性因素，分别是温度、压力，二者呈反比关系。温度决定原子核发生隧道效应的概率，压力决定物质的密度（原子核的距离）。因此，物质密度较大，原子核距离较小，反应温度就会低一些。

  问题是，人工核聚变之所以进展缓慢，就是因为实验条件没有办法模拟太阳的反应条件。太阳内部有3000亿个大气压，物质的密度高达100吨每立方米。但实验室无法做到这种压力。
  因此，这就要求科学家必须要把温度提高才可以。太阳的温度是1500万℃；2021年east 实现1.2 亿℃，101s ；1.6亿℃，20s运行。仅从温度上看，大家是不是感觉，这么高应该足够了。但事实上，这一切差得很远！主要有两点：温度太低。反应时间太短。
  并且，提高磁场强度、反应温度仅仅是第一步的话；那么反应堆的材料选择便是第二步关键问题。因为，温度越高，对热防护材料的要求也越高。因为，磁性约束核聚变装置——托卡马克，对聚变高温等离子体的束缚不是硬性束缚。
  聚变高温等离子体，是一种不稳定流体，有时会突然爆发加速。因此，当光辐射、等离子体突破束缚，瞬间打在反应炉内壁上，会对内壁产生极大地破坏。因此，可控核聚变反应堆对内壁的性能要求非常高。
  因此，科学家想到了钨材料。在反应炉等离子体的轰击下，我们常见的不锈钢在瞬间就会变成铁水，甚至被气化掉。因此，在地球上的所有材料中，只有钨耐高温性最好，熔点为3410℃。
  因此，钨合金被认为是唯一适合应用在反应堆内壁的材料。但，钨也有一个非常大的弱点，就是太脆了、延展性差。这就极大限制了它的应用。因此，吴学邦研究员的研究的关键就在于如何提升钨材料的力学性能。

  研究人员首先发现：氧化物弥散强化（ods）是提升金属韧性的好办法。但，ods-钨的氧化物尺寸较大，无法达到要求。于是，科学家借鉴了ods-fe，固溶-沉淀的方法，通过压力辅助低温致密化烧结工艺，成功制备了双纳米结构钨材料。
  经过制备后，钨的尺寸为67 nm，氧化物的平均粒径为8.5 nm。随后，研究人员把氧化物加热到2000℃，再次锻打使钨的结晶体再次变小，呈现片状堆积分布，又一次增加了钨的延展性、韧性。
  经过了一系列的工艺流程，钨材料才算生产结束。因此，这种材料作为反应堆的内壁防护层，可以在一定程度上延长内壁的使用寿命。
  目前，全超导托卡马克核聚变实验装置（east），不能持续开机的主要原因，是因为聚变过程中，会释放大量不受磁性束缚的聚变高温等离子体。这些高能的等离子体会不停地撞击east反应炉内部，而目前的内壁材料无法经受这种撞击。
  这才是可控核聚变不能商业化的根本核心原因。随着钨材料的研发成功，防护材料问题迎刃而解。中科院李建刚院士曾提出的“ 三个1 ”：1兆安等离子体电流、1000s 的维持时间、1亿℃的高温，将逐渐实现；最终达到2050年，可控核聚变并网发电。

  文章来源： 科学新视界，硬拳大卫君
  原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_507677.html
  来源：贤集网

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