【百年化學 中國篇】 【百年化學 中國篇 No.154】人造太陽的材料修仙傳：中國EAST如何用超導體關住一億度

先講一個物理學界流傳了半個世紀的冷笑話 可控核聚變距離實用化永遠還有50年 你爺爺年輕的時候聽說是50年 你爸爸年輕的時候聽說是50年 輪到你刷視頻 評論區還在說50年 這個梗的生命力比聚變等離子體強多了 畢竟等離子體撐死跑1000多秒 這梗跑了70年還沒衰減 但是2023年4月12日晚上9點 安徽合肥科學島上的一臺裝置把這個梗的時間軸狠狠往前拽了一截 全超島託卡馬克裝置EAST 也就是大名鼎鼎的中國人造太陽 把一億攝氏度的等離子體穩穩當當約束了403秒 創造了託卡馬克穩態高約束膜運行的世界記錄 2025年1月20日 他又把自己剛立的記錄推倒重來 上億度燒了1066秒 史稱億度千秒 要知道太陽核心也就1500萬度 這幫人在地球上整出了一個比太陽核心還熱67倍的東西 而且一燒就是17分鐘 燒完還能發個論文 今天咱們不聊情懷 不聊大國重器的形容詞 就扒開這臺400噸的巨罐 看看裏面到底裝了什麼材料 順便把三個硬核化學問題講明白 超島爲什麼要在液氦裏泡着 已被同樣這塊陶瓷憑什麼扛20特斯拉 烏合同這對八字不合的金屬是怎麼被強行湊合到一起的 先說爲什麼要搞核聚變 人類搞能源 本質上就是一個燒開水的大型連續劇 燒煤是燒開水 核電站也是燒開水 只不過一個用化學能燒水 一個用裂變能燒水 聚變的想法非常樸素 模仿太陽 太陽內核裏氫原子核擠在一起 四個青拼成一個害 拼完之後總質量少了一丟丟 這一丟丟質量按愛因斯坦那個著名公式變成能量 一克聚變燃料釋放的能量大約相當於燒掉八噸石油 海水中天然含有刀 大約每6000多個氫分子裏藏一個 一升海水裏的刀全拿去聚變 能量頂300升汽油 地球上別的資源都講儲量 刀這玩意兒基本屬於無限續杯 所以聚變才被叫做終極能源 但問題來了 太陽能聚變靠的是引力 太陽質量是地球的33萬倍 引力把輕往死裏壓核心兩三千億個大氣壓1500萬度就能燒 地球實驗室裏沒有這條件 引力不夠溫度來湊 所以人工聚變要燒到一億度以上 讓刀穿原子核跑得快到能撞開彼此之間的靜電排斥 兩個帶正電的原子核天生互相嫌棄 庫輪斥力就像射孔之間的安全距離 只有速度夠快才能強行貼貼 貼到一起之後強合力接管 合併放能 完事 一億度是什麼概念 這個溫度下任何物質都別想保持固體形態 電子早被全部剝離 原子碎成一鍋帶電粒子的湯 這就是物質的第四胎等離子體 你拿鐵鍋裝它 鐵鍋2000度都扛不住 拿熔點最高的屋做鍋3400度照樣氣化 一億度的火沒有任何一口鍋配擁有它 所以科學家想了個絕護劑 不用鍋用磁場 帶電粒子有個脾氣 在磁場裏運動會受到洛倫茲力 這個力永遠垂直於運動方向 於是粒子沒法直線跑掉 只能繞着磁力線轉圈 像被拴在隱形柱子上的狗 一邊轉圈 一邊沿着柱子往前竄 如果把磁力線彎成一個閉合的環呢 粒子就沿着環形跑道無限繞圈 永遠碰不到牆 這個方案就是託卡馬克俄語帶磁線圈的環形槍式的縮寫 上世紀50年代 蘇聯人提出的腦洞 1968年 蘇聯T3裝置做出了驚人的高溫數據 西方一開始不信 1969年 英國專家團隊帶着激光散射設備親自去莫斯科測量 測完心服口服 從此託卡馬克一統江湖 環形磁龍子聽着優雅 工程上是個吞電巨獸 要關注一億度的等離子體 磁場得有好幾個特斯拉 相當於地球磁場的幾萬倍 還得連續通電幾百上千秒 用普通銅線圈電阻發熱 功率直奔幾十萬千瓦 鉅變發的電還不夠磁體自己吃 屬於典型的用愛發電變成用電發電 這就是爲什麼EAST名字裏要帶全超導三個字 它是世界上第一臺所有主磁體都用超導材料做的託卡馬克 超導體電阻爲零 電流進去就能在裏面永遠跑圈 磁體自己一度電都不浪費 那麼問題來了 超導體爲什麼電阻是零 這事得從1911年說起 荷蘭物理學家昂內斯剛把氦氣液化了三年 液氦沸點4.2開爾文 只比絕對零度高四度 是當時人類能摸到的最冷世界 他把水銀泡在液氦裏測電阻 電阻毫無預兆的歸零了 不是變小 是歸零 電流打個圈一年都不衰減 這就是超導物理學史上最離譜的實驗現象之一 離譜到什麼程度 從常理上講 金屬導電是自由電子在晶格中穿行 晶格里的原子振動會讓電子撞車 撞車就是電阻 溫度越低 振動越小 電阻越小 但總不能歸零吧 這個謎題直到1957年才被巴丁 庫珀 施裏弗三人用BCS理論解開 機裏非常浪漫 電子帶負電 晶格里的正離子帶正電 一個電子跑過晶格時會把周圍的正離子往自己這邊拉一下 晶格被拽出一個微小的局部負正電區 這個負電區又會吸引另一個電子 就這樣兩個本來互相排斥的電子通過晶格振動 也就是生子這個媒婆隔着一點距離配對成功 形成酷破隊 配成隊的電子行爲模式徹底改變 從各自爲戰的散兵遊勇變成步調一致的集團軍 整個體系進入一個叫量子凝聚態的狀態 想打散一對 需要一份最低能量 而低溫下的晶格振動根本掏不出這份錢 於是沒有任何散射能攔住他們 電阻歸零 從化學視角看 這事的關鍵在於電子和晶格振動的偶合強度 所以超導體大多不是導電最好的金屬 銅銀導電天下第一 電子跟晶格幾乎不打交道 媒婆根本插不上手 反倒是泥 鉛這類電子與晶格糾纏的深的金屬纔是超導界的天選打工人 這也解釋了爲什麼超導必須低溫 溫度一高 晶格劇烈振動 熱能量輕鬆拆散 酷破隊配對直接散火 每種超導材料都有自己的臨界溫度 泥鈦合金大約9 2開爾文 所以east的泥鈦磁體必須泡在4 2開爾文的液氦裏 這就形成了人造太陽最魔幻的畫面 裝置中心是1億度的等離子體 幾米之外是零下269度的超導磁體 中間隔着真空和冷平 冰與火只隔一層窗戶紙 真冰火兩重天 爲什麼選泥鈦 泥這個元素度在元素週期表第五週期過渡金屬區 4D軌道電子填充 讓它的金屬件又強又有韌性 純泥的臨界溫度在金屬單質裏最高 但直接做線圈太脆 參進態之後形成的合金既保持了超導性能 又像麪條一樣能拉成細絲 一根超導電纜裏塞進幾千根比頭髮還細的泥態絲 埋在同機體裏 同負責在超導萬一失超時分流救場 更妙的是泥態屬於第二類超導體 第一類超導體遇到磁場直接擺爛 磁場一強超導就沒了 第二類超導體聰明 它允許磁場化成一根根磁通線鑽進來 自己照常超導 而合金裏的經界 吸出向 位錯這些微觀缺陷 恰恰會像釘子一樣把磁通線定住 這叫磁通釘渣 缺陷定住磁通 磁通不動 電流就能暢通無阻 材料學裏少有的名場面 缺陷越多 性能越強 簡直是把瑕疵練成了神功 靠着這身本事est的縱場磁體產生3 5特斯拉的強磁場 把等離子體按在環形跑道里摩擦 但泥態也有天花板 它的臨界溫度擺在那 磁場一超過十幾特斯拉就頂不住了 想造更強更緊湊的鉅變堆磁體就得升級 於是輪到本期第二位主角登場 已被同樣簡稱ybco 這玩意的出身帶着傳奇色彩 自從bcs理論出來之後 理論界推算常規超島的臨界溫度有個40開爾文左右的上限 號稱麥克米蘭極限 70多年沒人能破 1986年ibm蘇黎世實驗室的伯諾茲和穆勒在蘭貝同樣陶瓷裏發現了35開爾文的超島 陶瓷能超島等於宣佈絕緣體裏跑出了飛毛腿 兩人光速拿下1987年諾貝爾獎 全球實驗室瞬間瘋狂 1987年初 美國休斯頓大學朱金武團隊和中國科學院物理研究所趙忠賢團隊幾乎同時在以備同樣體系裏把臨界溫度幹到了90開爾文以上 趙忠賢團隊還率先向世界公佈了材料成分 90開爾文意味着什麼 液氮沸點77開爾文液氮一升幾塊錢 跟液氦比 基本是礦泉水對茅臺的價格差 超島第一次泡進了便宜冷卻劑 所以這類材料被叫做高溫超導體 注意這個高溫是超導圈的黑化 90開爾文換算過來還是零下180多度 放哈爾濱都是極寒 以備同樣的化學式是這個 結構上是一種層狀的類鈣鈦礦 這串化學式裏藏着它的核心機密 同樣面 晶體裏同和氧鋪成一層層的二維平面 超導電流就跑在這些同樣面上 以核倍更像夾心餅乾裏的支撐層 負責搭架子和調節電子濃度 而那個氧原子束漆是個能上能下的活口 晶體裏氧含量的微小變化會改變同樣面上在流子的濃度 氧少了在流子不足 氧多了又過量 只有在接近7的某個精確窗口裏 超導性能才拉滿 換句話說 以備同樣的超導性能是靠化學計量比一爐一爐調出來的 純度 配比 熱處理 氣氛差一點 出來的就是一塊平庸的黑陶瓷 這也是爲什麼高溫超導機裏至今沒有統一理論 BCS那套生子媒婆理論在這解釋不通 物理學家炒了快40年 反倒材料學家不管那套 先把性能捲上去再說 以備同樣的強項是耐磁場 在液氦溫度下 它的上臨界場高到測起來都費勁 做成磁體可以輕鬆突破20特斯拉 2017年 美國國家強磁場實驗室用它做內插線圈 造出了32特斯拉的全超導磁體 直接刷新世界記錄 磁場強度翻倍 聚變功率密度理論上能漲到16倍 所以全世界新一代緊湊型聚變裝置都盯上了這種材料 但它有個致命的性格缺陷 它是陶瓷 陶瓷意味着脆 你不能像拉尼泰斯一樣把它拉成線 一拉就碎成渣 工程師的解法堪稱材料界的表胡藝術 既然做不了塊 那就鍍成膜 在柔韌的金屬基帶上先鋪幾層緩衝層 當過度 在肚上一層只有幾微米厚的已被銅氧薄膜 外面裹銀和銅做保護 做成一條几毫米寬的超導帶材 整條帶子裏真正幹活的超導層厚度只有頭髮絲的十分之一 其餘全是保鏢 就靠着這條薄薄一層銅氧面 帶材在低溫牆場下扛住20多特斯拉不失超 耶斯特在升級改造中就把國產已被銅氧帶材用了進去 從材料到繞制全是自己造的 不用看別人臉色 磁場把等離子體關住了 故事纔講完一半 因爲磁龍子再嚴 等離子體也不會乖乖懸在正中央 它總會往下邊緣漏 漏出來的粒子和熱量總要有個地方排 這個位置叫偏綠器 功能約等於聚變堆的排氣系統加垃圾桶 EAST偏綠器要承受的穩態熱負荷達到每平方米10兆瓦量級 什麼概念 火箭發動機噴管喉部的熱流密度也就這水平 而這玩意兒要一連扛幾百上千秒 屬於把火箭噴口摁在地上持續燒 全世界的材料學家翻遍元素週期表 最後把目光停在了74號元素屋身上 屋的熔點3422攝氏度 全金屬第一 燈絲時代就是耐高溫界的老祖宗 他爲什麼能這麼扛還是化學件的事 屋位於第六週期過度金屬 5D軌道電子參與成建 D電子填充接近半滿的時候金屬件最強 電能一大原子之間汗的死死的 想讓它融化蒸發就得掏出天價能量 同樣道理 等離子體裏的高能粒子轟擊屋表面 想把屋原子打出來 也就是建設 門檻也比別的金屬高得多 建設率低 雜質少 等離子體就不會被污染熄火 所以EST在2021年前後把偏綠氣升級成了烏銅複合結構 第一幣也用烏 成了世界上較早實現全烏幣運行的裝置之一 可是光有烏不行 烏抗燒 但它導熱一般 熱堆積在表面 散不掉 局部照樣燒穿 散熱誰最強 銅 銅的熱導率大約是每米每卡爾文400瓦 金屬件數一數二 因爲銅的自由電子氣密度高 電子一邊導電一邊搬運熱量 導熱導電兩開花 方案很清晰 表面一層屋頂住等離子體的狂轟爛炸 底下一層銅合金像地暖管一樣把熱量抽走 烏負責臉 銅負責裏子 然後化學就跳出來拆臺了 翻開烏銅二元像圖 你會看到材料學裏著名的大型塑料有形現場 烏和銅在液態下幾乎完全不互融 既不形成化合物 也不形成固融體 融化的銅倒進去 烏顆粒懸浮在裏面互不搭理 冷下來各過各的 他倆的結合能低到連合金都懶得形成 屬於被像圖官方認證的八字不合 常規的熔鍊合金工藝在烏銅面前直接報廢 中國工程師和全世界的同行用的辦法叫熔腎 先把烏粉壓成多孔的骨架 燒結成海綿狀 烏顆粒之間留下連通的微小孔道 然後利用銅液對烏表面那點可憐的潤溼性 加壓或者靠毛細作用 把熔融銅灌進孔道里 冷卻後 銅像水泥填滿磚縫一樣把烏骨架鎖死 形成一種僞合金 烏沒融銅 銅也沒融烏 但在宏觀上 他倆被機械咬合成了一個整體 界面處物理錨定 誰也離不開誰 烏骨架提供耐高溫 抗建設的臉皮 銅網絡提供四通八達的散熱高速公路 熱量從烏表面進來 順着銅網絡狂奔到冷卻水管 被氦氣或者高壓水帶走 這套烏銅複合偏綠氣 從烏粉製備 骨架燒結到熔腎連接 EAST用的全部是國產工藝 別人卡脖子的手直接撲空 講到這 EAST這臺機器的畫像就齊了 它的全名叫先進實驗超導託卡馬克 2006年在合肥建成放電 高11米直徑8米 400噸重 近百萬個零部件 專利近2000項 它集齊了工程上最凝巴的一堆極限 超高溫 超低溫 超強磁場 超大電流 超高真空 一個裝置裏同時伺候着一億度和零下269度兩位大爺 從2006年到現在 它放電超過15萬次 2012年高約數魔跑30秒 2016年60秒 2017年101秒 2023年403秒 2025年1066秒 記錄一條曲線往上爬 每一步都是材料在背後墊腳 磁體從根跑到全自主 偏綠器從石墨換烏銅 低溫系統自己建 超導帶材自己產 順便說句公道話 EAST這條技術路線有個很中國的思路 不追求單點參數的炸裂 專攻穩態長脈衝 別的裝置可以衝高溫度衝大電流 但鉅變電站真要發電 得一天24小時連軸轉 能燒和一直燒是兩碼事 後者纔是工程化的命門 而一直燒恰恰最吃材料 磁體要長時間不失超 偏綠器要長時間不燒穿 低幣要長時間不掉渣 所以EAST的每一秒記錄表面上是等離子體物理的勝利 裏子全是材料科學的軍功章 最後回到開頭那個梗 鉅變的永遠50年之所以讓人笑了70年 是因爲過去大家總盯着物理參數 覺得溫度上去了 密度上去了 就萬事大吉 後來人們才慢慢明白真正卡住脖子的是酷破對帕熱 是銅氧面太脆 是烏銅八字不合 是氦氣太貴 是一個一個具體到有點瑣碎的材料問題 而這些問題沒有捷徑 只能一爐一爐的調成分 一根一根的拉帶材一次一次的放電視 從這個角度看 403秒和1066秒的意義不只是數字 他證明那條被嘲笑了半個世紀的路 中國團隊用國產超導磁體 國產烏銅偏綠氣 國產低溫系統是真的一秒一秒燒出來了 可控核聚變到底還要多少年 老實說沒人敢打包票 但至少在合肥科學島上 那個永遠50年的倒計時 第一次有人真正按下了開始鍵 而按下這個鍵的手握着的不是物理學家的筆 是材料學家的扳手