編者按:相比核裂變，核聚變幾乎不會帶來放射性污染等環(huán)境問題，其原料可直接取自海水中的氘，來源幾乎取之不盡，是理想的能源方式。

但是要想把這種能量為人類所有效利用，我們還有很長的路要走，它的關(guān)鍵問題之一是面臨高溫等離子體的第一壁結(jié)構(gòu)材料?？梢哉f，現(xiàn)在世界上已有的材料中尚沒有任何一種能勝任第一壁的工作要求。

葛昌純

中國科學(xué)院院士;國際陶瓷科學(xué)院層狀和梯度材料協(xié)會主席;國際陶瓷科學(xué)院自蔓延高溫合成協(xié)會理事;世界陶瓷科學(xué)院院士;中國金屬學(xué)會粉末冶金專業(yè)委員會特種材料與制品學(xué)術(shù)委員會主任委員;世界陶瓷科學(xué)院層狀和梯度材料學(xué)會主席;世界陶瓷科學(xué)院自蔓延高溫合成學(xué)會理事;Key Engineering Materials International Journal of SHS Materials Technology和“粉末冶金工業(yè)”等國際、國內(nèi)刊物的編委。

1952年畢業(yè)于唐山工學(xué)院(現(xiàn)西南交通大學(xué))冶金物理系冶金工程專業(yè)。1952～1984年在冶金部鋼鐵冶金總院先后在冶金室、壓力加工室、粉末冶金室擔(dān)任專題負(fù)責(zé)人、高級工程師、研究室副主任。1980年10月～1983年4 月作為德國洪堡基金會研究員在Max-Planck材料科學(xué)研究所和柏林工大非金屬材料研究所從事粉末冶金和先進(jìn)陶瓷研究，獲Dresden技術(shù)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位。1985年起在北京科技大學(xué)從事研究和教學(xué)工作，晉升為教授、博士生導(dǎo)師。2001年被選為中國科學(xué)院院士。2006起年任西南交通大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。1988年被人事部評定為“國家有突出貢獻(xiàn)中青年專家”，1990年被國家教委和國家科委評定“全國高校先進(jìn)科技工作者”。

近些年中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，舉世矚目。但是制約中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一些瓶頸問題日漸顯現(xiàn)，其中頗為突出的就是能源問題。我國自然資源的基本特點是富煤、貧油、少氣。我國煤炭雖然儲量豐富，但是分布不均，尤其是煤炭作為能源，污染嚴(yán)重，致使我國能源使用排放的溫室氣體僅次于美國，居世界第二位，為環(huán)境外交所矚目。核能的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，是人類在二十世紀(jì)最偉大的科學(xué)技術(shù)成就之一。與太陽能、水能、風(fēng)能、地?zé)岬惹鍧嵞茉聪啾龋四懿皇軙r間和地域的限制，尤其受控?zé)岷司圩兡苁枪J(rèn)的“資源無限”、可以“永遠(yuǎn)”解決人類未來能源需求和保護(hù)環(huán)境的重要途徑之一。

氘氚聚變反應(yīng)可以釋放出大量能量，其所需燃料在地球上預(yù)計約能使用3000萬年以上。聚變反應(yīng)堆不產(chǎn)生硫、氮氧化物等環(huán)境污染物質(zhì)，不釋放溫室效應(yīng)氣體;氘氚反應(yīng)的產(chǎn)物沒有放射性，中子對堆結(jié)構(gòu)材料的活化也只產(chǎn)生少量較容易處理的短壽命放射性物質(zhì)。上個世紀(jì)八十年代美、蘇、日、歐盟設(shè)立了國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆(International Thermo-nuclear Experimental Reactor， 簡稱ITER)計劃。并且在本世紀(jì)初確定了ITER的設(shè)計概要，標(biāo)志了受控?zé)岷司圩兗夹g(shù)從基礎(chǔ)研究階段進(jìn)入到了確認(rèn)設(shè)備性能的工程可行性階段。ITER現(xiàn)已在法國南部馬賽附近的卡達(dá)拉舍開始建設(shè)，這是工程可行性研究的第一步，第二步是研制示范聚變堆，第三步才是研制商用聚變堆。

2006年11月21日，科技部部長徐冠華代表中國政府簽署了ITER計劃的聯(lián)合實驗協(xié)定及相關(guān)文件，這是中國科學(xué)家首次和歐美等發(fā)達(dá)國家的科學(xué)家一起研究的重大科學(xué)項目，是國際上僅次于國際空間站的重大國際合作項目。中國此次加入ITER，分擔(dān)研究了一部分項目。而接下來的工作有很多，國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家應(yīng)該提早研究，爭取在我國盡早地建立起示范聚變堆和商用聚變堆。

制約核聚變堆研究的關(guān)鍵問題之一是面臨高溫等離子體的第一壁結(jié)構(gòu)材料，即面向等離子體材料(Plasma Facing Materials， PFM)。PFM指在磁約束可控?zé)岷司圩兎磻?yīng)裝置中直接面對等離子體的第一壁和偏濾器、限制器的裝甲材料。核聚變裝置相當(dāng)于裝高溫等離子體的爐子，最受考驗的是內(nèi)壁，其表面要承受高溫、極高的表面熱負(fù)荷(最高約20MWm-2)，并且要承受核聚變反應(yīng)放出來的能量高達(dá)14MeV的中子的輻照，輻照量將為數(shù)百dpa。同時，14MeV中子的(n2p) 、(n，α)核嬗變反應(yīng)所產(chǎn)生的大量的氫、氦對材料的性能會產(chǎn)生巨大影響。可以說，現(xiàn)在世界上已有的材料中尚沒有任何一種可能勝任第一壁的工作要求。

PFM的主要功能是:有效地控制進(jìn)入等離子體的雜質(zhì);有效地移走輻射到材料表面的熱功率;保護(hù)非正常停堆時其它部件免受等離子體轟擊而損壞。同時，面對等離子體材料應(yīng)與反應(yīng)堆運行壽命、可靠性和維護(hù)相一致。因此，面對等離子體材料的總體要求是耐高溫、低濺射、低氫(氚)滯留及與結(jié)構(gòu)材料兼容。碳基材料和鎢是最有前景的PFM的候選材料。對于PFM而言必須解決兩個難題，一是PFM自身性能的不斷提高;二是PFM與銅基熱沉材料的有效連接。目前歐盟、日本、美國等國對碳基和鎢基PFM進(jìn)行了較深入的研究，我國則起步較晚。

單一材料或涂層材料已不能滿足前沿科研領(lǐng)域發(fā)展的需求，例如，在航天飛行器上的，需要能承受1000攝氏度以上的高溫度差的材料。但通常的涂層材料，即在金屬表面涂上陶瓷涂層，由于陶瓷和金屬的膨脹系數(shù)相差很大，反復(fù)多次就會開裂。

什么樣的材料才能達(dá)到如此高的要求呢?1984年，日本Masayuki Niino博士等三位科學(xué)家在研究航天飛行器所需高溫結(jié)構(gòu)材料時提出了功能梯度材料(Functionally Graded Materials， 簡稱 FGM)這一材料設(shè)計的新概念。所謂功能梯度材料是指材料成分和結(jié)構(gòu)是逐步過渡的材料。由于是逐步過渡，從而大大減小了由于異種材質(zhì)膨脹系數(shù)失配使材料在高溫度差下產(chǎn)生的過大的熱應(yīng)力，顯著提高了材料的抗熱沖擊性和抗熱震性。后來，材料科學(xué)家們又把梯度材料這一設(shè)計概念從高溫結(jié)構(gòu)材料推廣應(yīng)用到各種功能材料上來。這是一個非常重要的研究方向，于1996年由我向有關(guān)部門提交了耐高溫等離子體沖刷的功能梯度材料的科研頂層設(shè)計項目建議書，設(shè)想這種材料可以運用在三個方面，一是為受控核聚變提供耐高溫等離子體沖刷的材料，二是可以用于激光核聚變，三是可以在航空航天上用。這項建議得到了國家有關(guān)部門的重視和核工業(yè)西南核物理研究院的合作，863新材料專家委員會在聽取了論證報告、通過答辯后于1997年7月批準(zhǔn)了這個項目。

該課題組經(jīng)過十年努力，較深入地研究了彈塑性有限元分析和優(yōu)化設(shè)計、超高壓力通電燒結(jié)、熔滲-焊接法制備模塊、活性金屬真空釬焊、活性金屬鑄造、自蔓延燃燒預(yù)熱爆炸固結(jié)、分次熱壓等新技術(shù)，成功地制備出了多個體系的耐等離子體沖刷的功能梯度材料，包括鎢和銅、碳化硅和銅、碳化硼和銅、鉬和銅、碳化硅和碳、碳化硼和碳功能梯度材料等，其中碳化硅和銅、碳化硼和銅、碳化硅和碳、碳化硼和碳體系的功能梯度材料在國際上尚未見前人報道。這些體系的材料分別在中國主要的托卡馬克核聚變實驗裝置，核工業(yè)西南物理研究院中國環(huán)流器1號HL-1上做過原位實驗，或在中國科學(xué)院等離子體所的HT-7上進(jìn)行過等離子體輻照實驗。

十年來，課題組的研究突破了八項關(guān)鍵技術(shù)，申請了8項發(fā)明專利，在國際著名刊物上和國際重要學(xué)術(shù)會議上發(fā)表了近50篇論文。培養(yǎng)了研究生12名，有的已被輸送到國內(nèi)外著名的核聚變研究單位。所發(fā)展的材料體系和關(guān)鍵技術(shù)是:

一、采用功能梯度材料的概念連接作為面向等離子體材料的W、B4C、SiC和作為熱沉材料的Cu。發(fā)明了一種制備梯度材料的新技術(shù):超高壓力梯度燒結(jié)技術(shù)。這種技術(shù)很好的解決了對于組成熔點和燒結(jié)溫度差別大的梯度材料無法一次燒結(jié)的世界性制備難題。可用于制備一大類陶瓷/金屬、金屬/金屬梯度材料。采用這種方法制備了三個不同材料體系的耐高溫等離子體沖刷的功能梯度材料，包括W/Cu(直徑36mm高30mm)、B4C/Cu、SiC/Cu功能梯度材料。圖3是W/Cu FGM的設(shè)計圖及制備所得樣品。

二、發(fā)明了熔滲-焊接法制備W/Cu功能梯度材料模塊(尺寸為30 mm×30 mm×30 mm)，高能電子束對其熱沖擊性能測試表明所設(shè)計和制備的W/Cu 功能梯度材料模塊具有較好的抗熱沖擊性能，能承受6MW/m2的穩(wěn)態(tài)熱流沖擊。

三、在國際上首次用粉末冶金技術(shù)制成SiC/C 塊體功能梯度材料;課題組克服了SiC和高含量石墨不能燒結(jié)在一起的困難，用粉末冶金技術(shù)成功地制取了SiC/C FGM，在Las-2000裝置上進(jìn)行D+離子輻照實驗，在3keV，4.6╳1015 D+/s.cm2的離子束輻照條件下，其在700K時總的化學(xué)濺射產(chǎn)額為石墨(SMF-800)化學(xué)濺射產(chǎn)額的22%，在能量5keV 400mA，脈沖寬度2ms的電子束熱沖擊下經(jīng)250次不裂。并首次設(shè)計和制成了B4C/C功能梯度材料。

四、首次制備出成分分布系數(shù)按設(shè)計要求的B4C/Cu涂層梯度材料;通過設(shè)計優(yōu)化了成分分布，其最高化學(xué)濺射產(chǎn)額為石墨的16%，其對甲烷解吸產(chǎn)額為石墨的30-50%，其在能量1.5keV╳30mA，脈沖寬度100ms，脈沖間隔4000ms，平均功率密度6.4MW/m2電子束熱沖擊下，經(jīng)1000次沒有發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋。

五、發(fā)明了一種采用超高壓力下通電燒結(jié)法制備超細(xì)晶粒難熔金屬的新技術(shù)。

六、發(fā)明了采用Ti基非晶焊料通過真空釬焊的方法對摻雜石墨和銅進(jìn)行連接的新方法，試驗結(jié)果和設(shè)計結(jié)果具有很好的吻合，通過Mo/Cu復(fù)合中間層的加入能夠有效的緩解釬焊過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，從而獲得性能優(yōu)良的摻雜石墨和銅的連接件。使用此方法成功制備了面向等離子體模塊(尺寸為30 mm×30 mm×30 mm)，高能電子束熱沖擊測試結(jié)果表明所設(shè)計和制備的摻雜石墨/銅模塊具有較好的抗熱沖擊性能，能承受6MW/m2的穩(wěn)態(tài)熱流沖擊。另外，還采用直接活性金屬鑄造的新方法對石墨和銅的連接進(jìn)行了試驗，該方法與國外已經(jīng)報導(dǎo)的結(jié)果相比，具有更簡單的工藝過程和更低的成本優(yōu)勢。

七、與北京理工大學(xué)合作設(shè)計并采用自蔓延燃燒預(yù)熱，水介質(zhì)緩沖雙向爆炸固結(jié)的方式制備了Mo/Cu功能梯度材料(FGM)。對各層的密度、硬度、電導(dǎo)率等性能進(jìn)行了測量和分析，從Mo層的相對密度94.2%到Cu層的相對密度98.4%，試樣整體的相對密度達(dá)95.5%。Mo/Cu FGM第1層與第2層的剪切強度為214.8MPa;Mo/Cu FGM第3層、第4層的熱導(dǎo)率分別為204.76Wm-1K-1和249.71 W m-1K-1。

對聚變材料研究目前需要的是:從堆的詳細(xì)設(shè)計中得出，聚變堆對材料性能提出的要求是什么?即這種要求使得通過對材料的改進(jìn)和工藝技術(shù)的進(jìn)步是可以達(dá)到的，同時又能滿足商用聚變堆的經(jīng)濟(jì)性能要求。低活性材料使聚變能更清潔，更符合環(huán)境的要求，從長遠(yuǎn)角度看，也更為經(jīng)濟(jì)(減少后處理費用)，是材料發(fā)展的方向。聚變材料研究發(fā)展目標(biāo)是:開發(fā)新材料，提高材料性能;理解材料在堆環(huán)境中的行為和行為結(jié)果;建立材料數(shù)據(jù)庫，為堆工程設(shè)計提供所需數(shù)據(jù)。

總的來說，我國核聚變材料的研究與國際水平差距較大，我們還處于基礎(chǔ)研究的試樣水平，在許多發(fā)達(dá)國家聚變材料研究經(jīng)費在聚變研究中所占比例逐漸增加的同時，我國核聚變材料的投入?yún)s在聚變研究中不成比例。在核聚變堆材料研究方面缺乏統(tǒng)籌安排和長遠(yuǎn)規(guī)劃。由于國內(nèi)沒有連續(xù)資助，原來的核聚變堆材料研究隊伍也四散分離，原有的設(shè)備得不到維護(hù)，新設(shè)備更無從建設(shè)。

而國際上，聚變材料研究已側(cè)重于材料的開發(fā)，工程實驗數(shù)據(jù)的獲取和積累。我國的聚變材料研究已參與了國際合作，如能有適當(dāng)?shù)耐度?，對提高我國的材料研究水平將會起到事半功倍的效果?/p>

實現(xiàn)核聚變及其和平利用無疑是人類最終解決能源問題的希望。人類探索核聚變這種新能源的努力將會繼續(xù)下去，世界各國的總投入仍將上升，探索的步伐也將加快，這是人類面臨的共同的能源總體需求所確定的。今后幾十年內(nèi)，我們?nèi)绻鉀Q核聚變反應(yīng)堆的材料問題和物理工程等問題，讓第一個核聚變反應(yīng)堆發(fā)出的強大電能輸入電網(wǎng)，一個嶄新的和平利用核能的新世紀(jì)即可宣布開始。