钨成“人造太阳”向1亿摄氏度100秒目标前进的关键材料

据悉,中科院合肥物质科学研究院有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST),其将于近期完成新一轮的升级改造,向芯部电子温度1亿摄氏度、100秒长脉冲钨等离子体材料的科研新目标发起挑战,力争将世界可控核聚变能源研究推向新高度。

钨成人造太阳向1亿摄氏度100秒目标前进的关键材料图片

EAST的运行原理就是在装置的真空室内加入少量氢的同位素氘或氚,通过类似变压器的原理产生等离子体,然后提高它的密度和温度,使其发生聚变反应,反应过程中会产生巨大的能量。其优势除了核聚变反应所需的原材料在地球上几乎取之不尽、用之不竭外,所生成的产物也对生态环境较为好友,被公众认为是理想的“终极能源”,可以有效缓解化石燃料未来有枯竭的危险。

EAST自从建成以来已开展实验96000余次。2006年9月,其首次等离子体放电成功;2012年打破世界纪录,获得超过400秒的两千万度高参数偏滤器等离子体,同时获得稳定重复超过30秒的高约束等离子体放电;2016年11月,获得超过60秒的完全非感应电流驱动(稳态)高约束模等离子体;2017年7月,实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行,创造了新的世界纪录;2018年,在电子回旋与低杂波协同加热下,等离子体中心电子温度达到1亿摄氏度并持续20秒等离子体运行。

从2020年7月起,EAST启动新一轮升级改造,在尖端材料、关键部件、主要子系统等方面实施一系列重大提升。中科院等离子体物理研究所研制中心主任吴杰峰说,“‘人造太阳’非常复杂,要让上亿摄氏度高温与零下269摄氏度低温1米内共存,上万个零部件,有一点点瑕疵,未来实验可能就会失败。”

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值得一说的是,在EAST制造方面,中国钨业具有较大的贡献。钨面向等离子体材料是“人造太阳”向1亿摄氏度100秒目标前进的关键因素之一。

面向等离子体材料是指在聚变装置内直接面向高温的等离子体,用来保护聚变装置的第一壁和偏滤器。因而,其应具备以下几种性能:一是良好的导热性、抗热震性和高熔点;二是在受等离子体强烈辐照等物理和化学冲刷时,其所产生的杂质数量应很低,以保证聚变堆长期运行;三是它不能吸附氘和氚,这样才能保证氢(氘、氚)的再循环作用;四是无放射性,这样除了能保证不会对其他物质产生危害,同时可以确保相关人们的安全。

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得益于过渡金属钨的出现,传统“人造太阳”性能的突破才成为一种可能。钨因有高熔点、高热导率、低氢吸附、低物理溅射率、高溅射阈值能量、低燃料滞留、小蒸发速度、无放射性等优点,而被公认为是EAST面向等离子体材料的首选。

中科院等离子体物理研究所托卡马克物理实验研究室主任龚先祖介绍,目前EAST升级改造工作进展顺利,预计将于4月底结束改造,向“1亿摄氏度100秒”的新目标发起冲击。

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