「人造太陽」上的這些「超級材料」中國造

「超高溫」與「超低溫」共存,「超強磁場」與「超大電流」並行,要在地球上造出「人造太陽」,必須要有性能極其特殊的材料承載。新春前夕,記者走進中科院合肥物質科學研究院,聽到一個又一個中國「超級材料」從無到有、後來居上的故事。

「人造太陽」上的這些「超級材料」中國造

產生核聚變反應需要幾千萬攝氏度乃至上億攝氏度的高溫,這麼高的溫度常規材料無法承受,一個可行方案是用磁力將其約束在「磁籠子」里。但是,產生強磁場需要「超大電流」,用電強度達到普通家用空調的數千倍乃至數萬倍,這將產生巨大的熱量,普通導體會被燒斷。

「超導是一種在特殊條件下電阻為零的材料,利用這一特性可以避免導體發熱,實現『人造太陽』的長時間運行。」中國工程院院士李建剛說,當年中國啟動研製「人造太陽」的時候,超導技術控制在少數發達國家手中,向國外購買超導材料,有的出爾反爾不賣,有的開價高,還只賣三流產品。

「當時國家的工業基礎薄弱,科研經費也不寬裕,遇到材料『卡脖子』,我們決定自己做。」李建剛院士說,邊建設邊研發,他們在建設全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)的過程中,發展出60多項關鍵技術,所需的超導、低溫等尖端材料90%都是靠自己的力量研究,在自己的工廠車間里一步步試制出來的。

從超導材料、超導接頭、超導配線到大型磁體系統,經過約20年的持續努力,如今中國已擁有世界先進的超導技術。「可以說,研製『人造太陽』,也推動中國的超導材料產業前進了20年。」中科院合肥物質科學研究院副院長、等離子體物理研究所所長宋雲濤介紹,如今中國已成為世界上超導材料的最大出口國,從被「卡脖子」的對象成為主供應商。

「上億度的一團火球,碰到什麼燒什麼。」中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所王騰博士說,「人造太陽」的腔體器壁材料是另一個難點,雖然有強磁場約束,仍然會有一些「不聽話」的高溫等離子體逃逸,打在器壁上造成損傷。

「剛開始EAST使用的是石墨材料,熱負荷能力達到每平方米1兆瓦。」王騰說,如今,器壁材料已經發展到第三代,改為自主研發的鎢銅合金材料,熱負荷能力提升到每平方米20兆瓦。

前不久,外徑超過11米、總重超過400噸的極向場6號線圈(PF6),在法國國際熱核聚變實驗堆現場通過最終驗收測試。中科院合肥物質科學研究院研製的PF6,是目前國際上最重、技術難度最高的超導磁體。

「自主研發PF6,我們用了6年時間,沒有這個艱難的過程,就沒有今天的進步。核心技術必須牢牢掌握在自己手里,要不來、買不來、討不來。」宋雲濤說。

從無到有、刻苦攻關、後來居上,自立自強的科學家精神,成為托起「人造太陽」的「核心超級材料」。

「未來的核聚變電站,可能需要一年365天、一天24小時的不間斷運行,這就要求更多更強的『超級材料』。」李建剛院士說,這是研製「人造太陽」最大的技術難題,也是新階段科研工作者聚力攻關的方向。

新華社記者劉菁、徐海濤、陳諾

來源:cnBeta