<p class="ql-block">雜談710 中國的核聚變材料研制</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">老邸</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">核聚變涉及三種材料：核燃料，氘和氚；存放核燃料的容器材料；承載核聚變反應(yīng)的環(huán)境材料。據(jù)說，中國在保存氫彈方面有絕招，想必是第二種材料做得好，因保密的關(guān)系，包括美國也不知道這些材料是什么，一般人當然不能隨便說。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">把核聚變比喻為燒“煤爐”，氘氚燃料就是維持核聚變爐火燃燒的“煤炭”，另兩種材料就是“煤倉”材料和承載聚變反應(yīng)的“爐體”材料。中國現(xiàn)在不僅學會了如何獲取“煤”，掌握了讓“煤”在爐子里充分燃燒、循環(huán)利用的精密技術(shù)，更在存放“煤”和制造“爐體”材料方面取得了重要的進展。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">本篇說的核聚變材料，專指“爐體”材料。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">中國在核聚變材料領(lǐng)域近期進展顯著，主要集中在對純度、耐熱性要求極高的鎢基材料突破，以及研發(fā)測試能力的體系建設(shè)上，部分成果已滿足國際標準。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">這些進展，被一些人用來證明何祚庥院士三十多年前關(guān)于中國在核聚變材料方面的判斷的錯誤。本人觀點：何祚庥愛發(fā)表看法，有的對，有的不對，有的當時看對，后來因科技進步而變得不對了，我們應(yīng)正確對待不斷提出建議意見的專家，正如應(yīng)正確對待黃萬里一樣——他反對建三峽大壩。意見的警示作用永遠是有價值的。當然，和何祚庥爭論的人也值得尊重與重視。不贊成黑白觀。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">一、鎢基材料的作用</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">（一）利與弊</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">鎢基材料不用于存放核聚變材料，而是作為核聚變裝置內(nèi)部的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，直接承受極端高溫等離子體的轟擊。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">核聚變?nèi)剂希ㄈ珉?、氚）是處于高溫等離子體狀態(tài)的燃料，它們被磁場約束在真空反應(yīng)室內(nèi)，而非“存放”在某種固體材料中。鎢基材料的作用是構(gòu)成反應(yīng)堆的第一壁和偏濾器，這些部件是等離子體的“容器壁”和“排氣系統(tǒng)”，負責：</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">承受極端熱負荷：等離子體溫度可達上億攝氏度，鎢的熔點高達3422℃，是唯一能長期穩(wěn)定承受這種環(huán)境的金屬材料。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">抵抗粒子轟擊：高能中子和粒子會侵蝕材料，鎢的高原子序數(shù)和高密度能有效減少濺射和損傷。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">降低氚滯留風險：相比碳等材料，鎢對核聚變?nèi)剂想暗奈搅繕O低，有助于減少放射性泄漏風險并便于燃料回收。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">需要說明："3422℃熔點"鎢怎么能關(guān)住"上億攝氏度"的等離子體？關(guān)鍵在于核聚變反應(yīng)堆中的等離子體雖然核心溫度可達1-2億攝氏度，但這是被磁懸浮約束在真空室中心的。材料（如鎢）并不直接與這個核心接觸，而是呈現(xiàn)如下狀態(tài)：</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">磁約束：強大的磁場將高溫等離子體"托舉"在空中，不與器壁接觸；</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">邊緣區(qū)域：材料實際接觸的是等離子體的邊緣區(qū)域（刮削層），溫度已大幅降低至數(shù)百到數(shù)千攝氏度；</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">偏濾器區(qū)域：專門設(shè)計的偏濾器靶板承受最高熱負荷，但溫度仍遠低于等離子體核心。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">鎢部件并非"裸奔"承受高溫，而是配合復雜的冷卻設(shè)計：</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">銅鉻鋯合金熱沉：鎢面向等離子體，背面通過擴散焊與高熱導銅合金結(jié)合，熱量被迅速帶走；</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">內(nèi)部冷卻流道：精密設(shè)計的冷卻水道維持材料在安全溫度范圍；</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">熱負荷分散：偏濾器設(shè)計將熱量分散到更大面積，局部熱負荷約10-20 MW/m2。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">為什么是"唯一"的金屬材料？因為其他候選材料已被淘汰或受限：</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">鈹(Be)：熔點僅1287℃，有毒，高濺射率，只能用于低熱負荷第一壁，ITER已決定棄用</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">碳/碳纖維：化學侵蝕嚴重，與氫同位素結(jié)合產(chǎn)生氚滯留問題</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">鉬/鈮合金：熔點低于鎢，抗輻照性能較差</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">超高溫陶瓷（如碳化鉿、碳化鋯）雖有3000℃以上熔點，但脆性更大、加工難，目前仍處于研究階段。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">鎢的角色更像是"防火墻"——不是因為它能直接站在火里，而是因為它熔點高、散熱快，配合冷卻系統(tǒng)能長期阻擋熱流，同時不被等離子體"吹蝕"得太快。即便如此，在聚變反應(yīng)堆中鎢部件仍需定期更換。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">鎢的“阿喀琉斯之踵”是本征脆性和極高的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。在室溫下，它像陶瓷一樣，受到?jīng)_擊容易直接開裂，導致部件失效。但是，在高速沖擊下，鎢合金彈芯會通過特定的斷裂方式保持尖銳頭部，從而獲得極強的穿透力。軍事中，恰恰利用了鎢在極端動態(tài)條件下的脆性斷裂特性。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">（二）轉(zhuǎn)化</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">“板材”形態(tài)：如何將“護盾”用在刀刃上？</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">利用硬和耐高溫的優(yōu)勢，規(guī)避脆的弱點，很容易想到貼瓷磚。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">1. 覆蓋需求：必須做成大面積“保護殼”</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">聚變堆內(nèi)部直面等離子體的第一壁，本身就是巨大的曲面結(jié)構(gòu)，必須用鎢材料像“瓷磚”一樣進行大面積全覆蓋保護。因此，“板材”是覆蓋大面積曲面的最基本、最合理的幾何形態(tài)。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">2. 連接難題：如何把“脆瓷磚”貼在“軟鋼墻”上</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">這是最大的技術(shù)難點。鎢（脆、硬）和作為結(jié)構(gòu)支撐的鋼（韌）熱膨脹系數(shù)差異巨大，直接焊接會因熱應(yīng)力而開裂。做成“板材”（或涂層），正是為了通過特殊工藝解決連接問題，主要有兩條技術(shù)路徑：</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">爆炸噴涂技術(shù)：這是深圳大學團隊的突破性成果。它不是先做板再焊接，而是像“超音速冷噴漆”一樣，直接把鎢粉末“打”到鋼表面形成致密涂層，繞過了傳統(tǒng)的連接難題。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">功能梯度材料：在鎢板和鋼之間，像“千層蛋糕”一樣構(gòu)建中間層。比如鎢含量從100%逐漸過渡到0%，讓性能平緩變化，從而消除熱應(yīng)力。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">3. 應(yīng)對脆性：給“脆板”做“增韌手術(shù)”</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">為了防止大面積鎢板因熱應(yīng)力開裂，科學家們還在開發(fā)更先進的“板材”——鎢纖維增韌鎢復合材料。就像用鋼筋混凝土蓋樓，通過在鎢基體中植入鎢纖維，利用纖維的拔出和摩擦消耗能量，從而阻止裂紋擴展，從根本上改善鎢的脆性。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">二、核心材料研發(fā)：從實驗室到產(chǎn)業(yè)化</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">（一）研究和實驗</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">1. 鎢基面向等離子體材料（關(guān)鍵技術(shù)突破）：</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">深圳大學團隊采用爆炸噴涂技術(shù)，直接在鋼基底上制備出高性能鎢涂層，成功開發(fā)鎢/鐵/鋼第一壁結(jié)構(gòu)件。該成果解決了鎢鋼連接的世界級難題，試制品通過了ITER標準的1000次高熱負荷疲勞測試。中鎢高新與合肥綜合性國家科學中心能源研究院共建聯(lián)合實驗室，主攻核聚變用高性能鎢材料。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">2. 高性能合金與結(jié)構(gòu)材料（產(chǎn)業(yè)化加速）：</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">江蘇天工愛和科技采用粉末冶金工藝，成功產(chǎn)出600kg級TPM304B7板材，經(jīng)權(quán)威檢測，其性能數(shù)據(jù)“超越國外已知同行技術(shù)水平”。該公司已成為“聚變高端金屬材料研發(fā)聯(lián)合實驗室”核心成員，正推進新型中子屏蔽鋼的研發(fā)。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">3. 研發(fā)測試能力</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">中國已建成多個先進輻照測試平臺，如蘇州熱工院的輻照腐蝕耦合試驗裝置，以及哈爾濱工程大學與原子能院聯(lián)合研制的國產(chǎn)首臺套商品化串列加速器，可將測試周期大幅縮短。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">基礎(chǔ)研究協(xié)同：2026年1月召開的“基于超高通量中子的聚變能科學與技術(shù)”研討會，匯聚了國內(nèi)頂尖機構(gòu)，重點研討了中子輻照等材料核心議題，推動了行業(yè)共識的形成。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">（二）產(chǎn)業(yè)</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">1. 廈門鎢業(yè)：全球唯一全流程認證供應(yīng)商</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">核心研制成果：自主研發(fā)的摻鉀鎢合金、偏濾器鎢探針組件，具備高再結(jié)晶溫度（≥1700℃）、低韌脆轉(zhuǎn)變溫度（≤100℃）和高室溫熱導率（≥168W·m?1·K?1），可在2500℃高溫等離子體沖擊下保持穩(wěn)定。將光伏用超細鎢絲的精密工藝遷移至核聚變靶板，實現(xiàn)微米級精度加工，產(chǎn)品良品率大幅提升。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">國際地位：全球唯一通過ITER（國際熱核聚變實驗堆）全套技術(shù)認證的鎢材料供應(yīng)商，打破了德國SGL、法國Technicatome等歐美企業(yè)的長期壟斷。其寧德基地500噸專用產(chǎn)線年產(chǎn)能覆蓋ITER需求量的30%，是ITER計劃不可或缺的戰(zhàn)略供應(yīng)商，標志著中國在核聚變材料領(lǐng)域躋身全球第一梯隊。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">2. 中鎢高新：全球首家全鎢偏濾器供應(yīng)商</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">核心研制成果：研發(fā)的抗輻照鎢基材料、核聚變偏濾器用鎢銅復合塊、中子屏蔽用高密度鎢基復合材料等，可應(yīng)用于核聚變裝置第一壁、偏濾器等關(guān)鍵部位。采用兩步熱等靜壓技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品零缺陷，良率超98%，產(chǎn)品抗熱震性達2000℃/秒，核聚變第一壁涂層基材抗中子輻照能力提升3倍。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">國際地位：全球首家全鎢偏濾器供應(yīng)商、唯一量產(chǎn)核聚變?nèi)u部件企業(yè)。為ITER及中國環(huán)流三號提供鎢銅復合部件、包層第一壁等核心組件，2025年與ITER簽訂4.8億元長期供應(yīng)協(xié)議，2025-2030年累計供貨不低于500噸，占ITER全球采購量的30%，在核聚變鎢基材料制造領(lǐng)域處于全球領(lǐng)先地位。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">3. 安泰科技：高純度鎢靶材核心供應(yīng)商</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">核心研制成果：研發(fā)的核聚變用鎢靶材純度達99.999%（5個9），成功應(yīng)用于CFETR（中國聚變工程實驗堆）偏濾器實驗裝置。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">國際地位：ITER國際核聚變項目鎢部件核心供應(yīng)商，與中國科學院等離子體所簽訂長期供貨協(xié)議，其高純度鎢靶材技術(shù)打破國外壟斷，為核聚變偏濾器部件批量生產(chǎn)提供了關(guān)鍵支撐，在核聚變用鎢靶材領(lǐng)域市占率超30%。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">4. 合鍛智能：ITER級真空室與鎢基偏濾器研發(fā)</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">核心研制成果：全球唯一實現(xiàn)ITER級真空室整體成型的企業(yè)，焊接精度控制在0.01mm（相當于頭發(fā)絲直徑的1/7），同時研發(fā)1.5億℃鎢基偏濾器，突破核聚變耐高溫關(guān)鍵技術(shù)。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">國際地位：中標BEST項目真空室合同（2.09億元），已交付核心部件；在手ITER二期、CFETR訂單超30億元，其在核聚變裝置關(guān)鍵部件制造領(lǐng)域的技術(shù)實力全球領(lǐng)先，為核聚變裝置的穩(wěn)定運行提供了重要保障。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">整體國際地位總結(jié)：</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">中國在核聚變用鎢基材料領(lǐng)域已實現(xiàn)從跟跑到并跑、部分領(lǐng)域領(lǐng)跑的跨越，多家企業(yè)成為ITER計劃的核心供應(yīng)商，供應(yīng)份額合計超60%，打破了歐美企業(yè)的長期壟斷。在材料性能、產(chǎn)能規(guī)模、技術(shù)工藝等方面均達到國際先進水平，為中國自主建設(shè)CFETR等聚變堆奠定了堅實基礎(chǔ)，也為全球核聚變能源發(fā)展貢獻了中國力量。</p>