中國新一代可控核聚變大科學(xué)裝置“中國環(huán)流三號(hào)”。
新華社發(fā)
具備干預(yù)溫度的能力，突破自然溫度的束縛，對(duì)人類發(fā)展產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響，火的利用甚至被看作人類文明進(jìn)步的重要標(biāo)志之一，不僅極大改善了人類的生理狀態(tài)，促進(jìn)了社會(huì)性交往，而且催生了陶器的燒制和青銅、鐵器的冶鑄，極大推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的進(jìn)步。進(jìn)入現(xiàn)代社會(huì)之后，人類對(duì)溫度進(jìn)行干預(yù)和控制的能力顯著提升，各種制熱和制冷科技創(chuàng)新發(fā)展，不斷刷新人造超高溫和超低溫的紀(jì)錄，不斷制備出耐高溫和抗低溫新材料，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)乃至人類生產(chǎn)生活方式發(fā)生巨大變革。
2024年，中國科技工作者繼續(xù)在溫度控制與干預(yù)方面取得重大創(chuàng)新成果，不斷創(chuàng)造和刷新“中國溫度”紀(jì)錄，不斷制備出耐高溫、抗低溫新材料等，彰顯中國科技的創(chuàng)新活力和為增進(jìn)人類福祉所作出的卓越貢獻(xiàn)。
推進(jìn)“人造太陽”技術(shù)創(chuàng)新
創(chuàng)新可控核聚變技術(shù)，模仿太陽內(nèi)部發(fā)生的核聚變反應(yīng)，在地球上“造個(gè)太陽”，獲得源源不斷的能源，是國際科學(xué)界從上世紀(jì)80年代中期開始就致力于實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，并為此實(shí)施國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃。中國從成為ITER計(jì)劃成員后，就為推進(jìn)該計(jì)劃付諸努力，特別是承擔(dān)了約20個(gè)采購包的制造任務(wù)，涉及磁體支撐系統(tǒng)、磁體饋線系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、輝光放電清洗系統(tǒng)、氣體注入系統(tǒng)、可耐受極高溫的反應(yīng)堆堆芯“第一壁”等核心關(guān)鍵部件。
11月29日，最新一批由中國公司承制的ITER部件——包層屏蔽模塊首批產(chǎn)品從廣東廣州運(yùn)往法國，這是全球首發(fā)的包層屏蔽模塊，標(biāo)志著中國在聚變堆建造所需的關(guān)鍵技術(shù)方面取得了重要進(jìn)展。包層屏蔽模塊屬于ITER裝置堆芯核心部件，好比爐膛“耐火磚”，保護(hù)真空室及外圍設(shè)備和人員免受輻射危害，確保反應(yīng)堆穩(wěn)定運(yùn)行，是聚變堆建造的關(guān)鍵部件之一。
此次運(yùn)送的模塊產(chǎn)品由中國東方電氣集團(tuán)有限公司與中國核工業(yè)集團(tuán)有限公司西南物理研究院合作研制。在歷時(shí)多年研制期間，雙方聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)全面攻克高溫真空環(huán)境下高精度氦檢漏技術(shù)、不銹鋼板單面焊雙面成型技術(shù)等一大批重大關(guān)鍵技術(shù)難題。
在ITER安裝工作中，中方在2024年也作出了重要貢獻(xiàn)。2月29日，中國核工業(yè)集團(tuán)有限公司牽頭的中法聯(lián)合體與ITER組織正式簽署了真空室模塊組裝合同。這是中國在成功安裝國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆“心臟”設(shè)備之后，再次承擔(dān)其核心設(shè)備的安裝任務(wù)。真空室模塊組裝是目前ITER項(xiàng)目最重要設(shè)備在關(guān)鍵路徑上的工作，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的成功起到至關(guān)重要作用。
在積極參與ITER計(jì)劃的同時(shí)，中國科學(xué)家也在自主設(shè)計(jì)研制可控核聚變大科學(xué)裝置并取得科研突破。6月，中國新一代“人造太陽”即“中國環(huán)流三號(hào)” 項(xiàng)目傳出捷報(bào)，在國際上首次發(fā)現(xiàn)并實(shí)現(xiàn)了一種先進(jìn)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)提升核聚變裝置的控制運(yùn)行能力具有重要意義。這標(biāo)志著中國在可控核聚變領(lǐng)域取得重要成果，將進(jìn)一步促進(jìn)全球清潔能源技術(shù)的發(fā)展。
發(fā)現(xiàn)鎳基高溫超導(dǎo)新材料
超導(dǎo)體即超導(dǎo)材料，指在某一溫度以下，兼具絕對(duì)零電阻和完全抗磁性兩個(gè)獨(dú)立特性的超級(jí)導(dǎo)體，在電力傳輸、磁懸浮列車、醫(yī)療成像設(shè)備等領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景。然而長期以來，超導(dǎo)材料必須依賴極低溫環(huán)境才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性，尋找新型高溫超導(dǎo)體材料一直是科學(xué)家孜孜以求的目標(biāo)。
今年7月和10月，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》接連發(fā)表了兩篇關(guān)于超導(dǎo)的重要論文，前者由3個(gè)中國團(tuán)隊(duì)合作完成，證實(shí)了鎳氧化物中具有壓力誘導(dǎo)的體超導(dǎo)電性，為人們理解高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了新的視角；后者由多個(gè)中外研究團(tuán)隊(duì)合作完成，發(fā)現(xiàn)在一種雙鎳氧層鈣鈦礦材料中，實(shí)現(xiàn)了塊體高溫超導(dǎo)電性，并揭示了鎳基高溫超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)起源，這一成果對(duì)于鎳基高溫超導(dǎo)材料的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)與合成具有重要指導(dǎo)作用，有望推動(dòng)鎳基高溫超導(dǎo)體的研究進(jìn)程。
在鎳基超導(dǎo)研究方面，中國科學(xué)家之前就已經(jīng)作出了開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。2023年7月，《自然》刊發(fā)了中國中山大學(xué)的王猛教授團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的一項(xiàng)研究成果：首次發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)鎳氧化物超導(dǎo)體。這是中國科學(xué)家在全球率先發(fā)現(xiàn)的全新高溫超導(dǎo)體系，是人類目前發(fā)現(xiàn)的第二種液氮溫區(qū)非常規(guī)超導(dǎo)材料，是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域“從0到1”的突破，對(duì)推動(dòng)破解高溫超導(dǎo)機(jī)理，對(duì)設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)高溫超導(dǎo)材料提供了更多可能性。
經(jīng)過不懈努力，中國科學(xué)家在鎳基超導(dǎo)體研究中率先獲得重要進(jìn)展，不僅發(fā)現(xiàn)了多個(gè)鎳基超導(dǎo)體系，而且詳細(xì)研究了材料的宏觀和微觀物性，提出了多個(gè)可能的理論模型，促進(jìn)了對(duì)該領(lǐng)域的研究，以鎳基超導(dǎo)體壯大了高溫超導(dǎo)材料“家族”。
制備耐高溫難熔合金材料
7月3日，中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心發(fā)布消息，中國西北大學(xué)一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)通過中國空間站開展的高性能難熔合金研究獲得重大突破，成功獲取難熔合金熔體的關(guān)鍵熱物理性質(zhì)，在空間凝固制備方面取得多項(xiàng)科學(xué)新發(fā)現(xiàn)。相關(guān)成果已發(fā)表于《先進(jìn)材料》等國際學(xué)術(shù)期刊。
該研究團(tuán)隊(duì)此次研究的合金材料包括鈮合金。鈮是種難熔金屬，熔點(diǎn)超2400℃，是目前人類已知最耐高溫的材料之一；該金材料具塑性好、加工和焊接性能優(yōu)良等特點(diǎn)。
在地面環(huán)境中，鈮合金等難熔合金研究長期受重力、容器等條件制約，難熔合金液態(tài)性質(zhì)的精確測(cè)定與快速凝固合成制備存在極大困難。而中國空間站提供了理想的微重力環(huán)境，實(shí)驗(yàn)柜利用靜電場(chǎng)所提供的電場(chǎng)力，可使材料樣品在真空環(huán)境中保持穩(wěn)定懸浮狀態(tài)，避免與容器壁接觸的影響，進(jìn)行金屬、非金屬等無容器深過冷凝固和熱物理性研究。
中國科學(xué)家在鈮合金等難熔合金研究方面的突破再次證明，中國空間站作為國家太空實(shí)驗(yàn)室具有極高的科研價(jià)值，為科研人員提供了獨(dú)特的微重力、高真空、超潔凈的環(huán)境，完成一些在地球上無法實(shí)現(xiàn)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)，制備新型材料、培養(yǎng)新型蛋白質(zhì)、觀察新型物理現(xiàn)象、探索新型化學(xué)反應(yīng)，將推動(dòng)空間制造、空間資源開發(fā)等高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
研發(fā)出抗超低溫電池
動(dòng)力電池技術(shù)推動(dòng)了汽車行業(yè)的低碳化和智能化發(fā)展，然而在低溫環(huán)境下，電池容量和續(xù)航里程明顯下降，同時(shí)放電效率也會(huì)變慢，給駕乘者造成“里程焦慮”，也影響汽車運(yùn)行性能，因此科學(xué)家一直在研制抗低溫甚至抗超低溫的電池。
2024年初，中國科學(xué)院大連化物所的陳忠偉團(tuán)隊(duì)成功研制出了一款抗超低溫特種鋰離子電池，能在-60℃的超低溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，能量密度達(dá)到每千克260瓦時(shí)。在-60℃、0.5C（電池以其額定容量0.5倍的電流進(jìn)行放電）運(yùn)行條件下，放電容量可達(dá)80%以上；-40℃、0.5C運(yùn)行條件下，放電容量可達(dá)95%，循環(huán)壽命超過500次，性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平。該電池采用新一代復(fù)合電解液、多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)及新型半固態(tài)電解質(zhì)，極大地提升了低溫條件下的離子電導(dǎo)率和界面性能，同時(shí)采用多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)結(jié)合新型半固態(tài)電解質(zhì)及改性活性材料，增加了電極和電極表面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，從而有效地提升了電池在低溫下的性能。
11月23日，中國科學(xué)院大連化物所發(fā)布消息稱，陳忠偉團(tuán)隊(duì)的抗低溫電池技術(shù)獲得應(yīng)用突破，以該技術(shù)為支撐研發(fā)的高比能寬溫域鋰離子電池可在-40℃至60℃的寬溫域環(huán)境中穩(wěn)定工作。該款電池成功適配一款新型工業(yè)級(jí)復(fù)合翼無人機(jī)，順利完成試飛。在試飛過程中，無人機(jī)順利完成起飛、爬升、高速巡航、降落等測(cè)試環(huán)節(jié)，高質(zhì)量完成了3小時(shí)飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了高比能鋰電池的高效能量儲(chǔ)備能力與運(yùn)行穩(wěn)定性。
創(chuàng)新無液氦極低溫制冷
在一些科研領(lǐng)域，比如深空探測(cè)、材料科學(xué)、量子計(jì)算等，會(huì)用到極低溫環(huán)境，需要極低溫制冷技術(shù)提供支撐。長期以來，獲得極低溫主要利用液氦來實(shí)現(xiàn)，但自然界中氦元素較為稀缺，如何不用氦元素實(shí)現(xiàn)極低溫制冷，獲得極低溫環(huán)境，成為科學(xué)界攻關(guān)的一大難題。
1月，中國科學(xué)家在《自然》在線發(fā)表一篇關(guān)于極低溫制冷技術(shù)的論文，首次在鈷基三角晶格磁性晶體中發(fā)現(xiàn)量子自旋超固態(tài)存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，利用該晶體，通過絕熱去磁獲得-273.056℃極低溫，實(shí)現(xiàn)無液氦極低溫制冷。
超固態(tài)是物質(zhì)在接近絕對(duì)零度即-273.15℃時(shí)呈現(xiàn)的一種量子態(tài)，物質(zhì)此時(shí)既有晶體態(tài)中原子規(guī)則排布的特征，又可像超流體一樣，無摩擦地流動(dòng)。磁性材料隨外磁場(chǎng)變化可產(chǎn)生顯著溫度變化，因此利用特殊磁性物質(zhì)，通過絕熱去磁而制冷。中國科研人員歷時(shí)約3年，克服了極低溫下的漏熱控制與溫度測(cè)量等諸多難題，研發(fā)出新型低溫測(cè)量器件，最終實(shí)現(xiàn)了-273.056℃極低溫。
上述成果是基礎(chǔ)研究的一項(xiàng)重大突破，將其轉(zhuǎn)化成實(shí)際的器件和制冷機(jī)雖然還要克服科學(xué)和工程技術(shù)的巨大挑戰(zhàn)，還有很長的路要走，但是為國際科學(xué)界提供了重要啟發(fā)和思路，進(jìn)一步促進(jìn)該領(lǐng)域研究深入開展。
