钨的应用领域：“人造太阳”发现新的高能量约束模式

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近期，中科院合肥物质科学研究院研究团队利用全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）发现了一种新的高能量约束模式，并证明了该模式无需通过外部控制就可以确保等离子体稳定运行，这对于国际热核聚变实验堆和未来聚变堆发展具有重要意义。

人造太阳图片（图源：经济视野网）

全超导托卡马克核聚变实验装置，简称托卡马克，俗称“人造太阳”，是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器，由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦和支撑系统六大部件组成，运行时需要超大电流、超强磁场、超高温度（芯部温度达到上亿摄氏度）、超低温度（线圈温度需降到零下二百多摄氏度）、超高真空等极限环境。

EAST运行原理是在真空室内加入适量氢的同位素氘或氚，通过类似变压器的原理使其产生等离子体，然后提高其密度和温度使其发生聚变反应，反应过程中会产生巨高的温度、冲击力和辐射能力等能量。

由于EAST的运行条件极为苛刻，所以也就给装置的设计、制造工艺和材料方面提出了超乎寻常的要求。就材料方面而言，EAST的重要部件——偏滤器和面向等离子体材料（PFMs）都需要用难熔金属钨材料来制造。

人造太阳内部结构图

钨铜合金凭借着高熔点、高密度、良好的高温强度、优异的塑性、耐烧蚀和耐冲击等优点，成为制造偏滤器的优选材料。钨铜偏滤器的作用是将等离子体与第一壁进行隔绝，并且对流入杂质进行屏蔽。

面向等离子体材料是指在“人造太阳”内直接面向高温等离子体，用来保护第一壁和钨铜偏滤器的部件，应具备良好导热性、抗热震性、耐热性、抗辐照性和耐冲刷性等特点，适合用钨基材料如纳米孔道钨薄膜来制作。纳米孔道钨薄膜不仅具有优异的热力学和化学等性能，还有较大的比表面积，能自动实现氦原子的吸收释放作用。

另外，实现高性能等离子体稳态运行也是未来核聚变堆必须解决的问题之一。此次，中科院合肥物质科学研究院研究者发现的新高能量约束模式，能显著提高能量的约束效率，具有芯部无杂质积累，便于聚变反应生成物排出，维持平稳温度台基等优点，并实现了芯部高约束与边界不稳定性的兼容，保证了长时间尺度上的高性能等离子体运行。相关成果已于2023年1月7日发表在国际学术期刊《科学进展》上。