摘要：高温材料与等离子体约束技术是现代能源、航空航天和国防科技领域的核心基础。在能源领域，随着全球对清洁能源需求的不断增长，可控核聚变作为未来最具潜力的清洁能源技术之一，正受到前所未有的关注。而在航空航天领域，高超声速飞行器和航天器再入大气层时面临的极端高温环境，对

一、引言

高温材料与等离子体约束技术是现代能源、航空航天和国防科技领域的核心基础。在能源领域，随着全球对清洁能源需求的不断增长，可控核聚变作为未来最具潜力的清洁能源技术之一，正受到前所未有的关注。而在航空航天领域，高超声速飞行器和航天器再入大气层时面临的极端高温环境，对材料的耐高温性能提出了前所未有的挑战 。

传统陶瓷材料虽然具有较好的高温性能，但其在极端高温环境下的性能仍有局限。随着材料科学和等离子体物理的发展，一系列新型超高温材料和先进等离子体约束技术正在不断涌现，为解决能源和航空航天领域的高温难题提供了新的可能性。

本报告将系统介绍比陶瓷更耐高温的材料研究进展，以及人造太阳能中等离子体约束技术的原理与最新突破，为相关领域的研究和应用提供参考。

二、超高温材料研究进展

2.1 超高温材料的基本概念与分类

超高温材料(Ultra-High Temperature Materials, UHTMs)通常是指能够在1600℃以上高温环境中保持结构稳定性和功能完整性的材料 。根据材料组成和结构特点，超高温材料主要分为三大类：难熔金属及合金、碳基材料和超高温陶瓷及其复合材料。

传统陶瓷材料如氧化铝、氮化硅等，虽然具有较好的高温稳定性，但其最高使用温度通常在1500-2000℃范围内，且在高温氧化性环境中容易发生性能退化。相比之下，新型超高温材料不仅具有更高的熔点和更优异的高温力学性能，还能在极端环境下保持较好的稳定性和功能完整性。

2.2 难熔金属及合金材料

难熔金属是指熔点高于2000℃的金属，主要包括钨(W)、钼(Mo)、钽(Ta)、铌(Nb)、铼(Re)等。这些金属及其合金具有极高的熔点、良好的高温强度和导热性，是超高温环境下应用的理想候选材料。

2.2.1 钨基合金的研究进展

钨(W)是已知熔点最高的金属(3422℃)，具有极高的硬度、良好的导热性和较低的热膨胀系数，是最具潜力的超高温结构材料之一。然而，纯钨的室温脆性大、高温抗氧化性能差，严重限制了其工程应用 。

近年来，科研人员通过合金化和微观结构调控等手段，开发出了一系列高性能钨基合金：

1. 自钝化钨合金：通过添加Si或Cr等钝化元素，可在钨表面形成连续致密的SiO₂或Cr₂O₃保护膜，显著提高其抗氧化性能。例如，W-Si合金在1000℃空气中的氧化速率比纯钨降低了一个数量级 。在二元自钝化钨合金基础上，添加Y、Zr等活性元素进一步改善氧化膜与基体的结合力，发展了三元和四元自钝化钨合金，进一步提高了其高温稳定性 。

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2. 钨铼合金：钨中添加铼(Re)可显著改善其室温塑性和高温抗蠕变性能。W-Re合金在2000℃下展现出5.4小时的长效蠕变抗性，远优于纯钨。

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3. 钨基复合材料：通过在钨基体中引入碳化物(如HfC、ZrC)或硼化物(如ZrB₂)等第二相颗粒，可显著提高钨的高温强度和抗氧化性能。例如，W-Re-HfC合金在2000℃下表现出优异的高温稳定性和抗蠕变性能。

2.2.2 钼基和钽基合金的发展

钼(Mo)和钽(Ta)也是重要的难熔金属，具有较高的熔点(分别为2623℃和3017℃)和良好的高温强度：

1. 钼合金：通过添加Ti、Zr、Hf等元素形成的Mo-Ti-Zr-Hf系合金，具有优异的高温强度和抗蠕变性能，可在1600-1800℃高温环境下长期使用。

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2. 钽合金：钽合金具有优异的高温强度和抗腐蚀性，特别是Ta-W合金在高温氧化性环境中表现出较好的稳定性。通过表面涂层技术，钽合金的高温抗氧化性能可进一步提高 。

2.3 碳基超高温材料

碳基材料因其独特的结构和性能特点，在超高温领域具有广阔的应用前景。

2.3.1 石墨和碳/碳复合材料

石墨是一种典型的碳基材料，具有极高的熔点(约3652℃)和优异的高温性能。在无氧环境下，石墨可在3000℃以上保持稳定，是超高温环境下应用的理想材料。

碳/碳(C/C)复合材料是以碳或石墨纤维为增强体、碳为基体的复合材料，具有低密度、高比强度、高比模量和优异的高温性能。通过化学气相渗透(CVI)或液相浸渍-碳化等工艺制备的C/C复合材料，可在2500℃以上的高温环境中保持良好的力学性能，是航空航天领域热防护系统的关键材料 。

然而，C/C复合材料在高温氧化性环境中容易发生氧化降解，限制了其在有氧高温环境中的应用。为解决这一问题，科研人员开发了多种抗氧化涂层技术，如SiC涂层、ZrB₂-SiC复合涂层等，可有效提高C/C复合材料的高温抗氧化性能 。

2.3.2 碳化硅基材料

碳化硅(SiC)是一种重要的超高温陶瓷材料，具有高熔点(约2700℃)、优异的高温强度和抗氧化性能。在高温氧化性环境中，SiC表面可形成一层致密的SiO₂保护膜，阻止氧气进一步侵入，从而表现出优异的高温稳定性。

SiC纤维增强的SiC基复合材料(SiC/SiC)具有优异的高温力学性能和抗热震性能，是航空发动机热端部件和高温结构件的理想材料。近年来，通过纳米化和微观结构优化，SiC基复合材料的高温性能得到进一步提升，可在1600℃以上长期使用 。

2.3.3 新型碳纳米材料

近年来，碳纳米管、石墨烯等新型碳纳米材料因其独特的结构和优异的性能，在超高温材料领域展现出巨大潜力：

1. 碳纳米管材料：清华大学科研团队开发的超顺排碳纳米管堆叠薄膜(SACNT-SF)材料，耐受极限温度突破至2600℃，导热系数低至0.03 W/mK，是传统顶级隔热材料石墨毡的1/50。这种材料通过"纳米迷宫"阻击固体传导、"克努森效应"困住气体传导和"光子陷阱"吞噬热辐射等多重机制，实现了超高温环境下的高效隔热 。

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2. 石墨烯增强复合材料：石墨烯具有优异的力学性能和热导率，可作为增强相用于制备高性能超高温复合材料。研究表明，石墨烯增强的陶瓷基复合材料具有优异的高温强度和抗热震性能。

2.4 超高温陶瓷复合材料

超高温陶瓷(UHTCs)是指熔点高于3000℃的陶瓷材料，主要包括ⅣB、ⅤB、ⅥB族过渡金属的硼化物、碳化物和氮化物，如ZrB₂、HfB₂、ZrC、HfC等。这些材料具有极高的熔点、优异的高温硬度和强度，以及良好的抗烧蚀性能，是超高温环境下应用的理想材料。

2.4.1 硼化物基超高温陶瓷

硼化物基超高温陶瓷，特别是ZrB₂和HfB₂基材料，因其优异的高温性能和抗氧化潜力，成为近年来研究的热点：

1. ZrB₂基复合材料：ZrB₂具有较高的熔点(约3245℃)和良好的高温力学性能，但纯ZrB₂的脆性较大且高温抗氧化性能有限。通过添加SiC、C等第二相，可显著改善其抗氧化性能和力学性能。研究表明，ZrB₂-20vol%SiC复合材料在1600℃空气中表现出优异的抗氧化性能，其氧化速率低于80 g/m² over 2h at 1400℃。

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2. HfB₂基复合材料：HfB₂的熔点高达3380℃，比ZrB₂具有更高的高温稳定性和抗烧蚀性能。HfB₂-SiC复合材料在超高温环境下表现出优异的抗氧化性能和力学性能，是高超声速飞行器前缘和鼻锥的理想材料。

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3. ZrB₂-HfB₂-SiC三元复合材料：结合ZrB₂和HfB₂的优势，开发的ZrB₂-HfB₂-SiC三元复合材料展现出更优异的综合性能。研究表明，这种材料在1700℃下仍能保持300 MPa以上的弯曲强度，具有>14.5 W/m·K的高热导率和优异的抗氧化性能，是高超声速飞行器热防护系统的理想候选材料。

2.4.2 碳化物基超高温陶瓷

碳化物基超高温陶瓷，如ZrC、HfC、TaC等，具有极高的熔点和优异的高温硬度，但纯碳化物的抗氧化性能较差：

1. 碳化锆(ZrC)：ZrC的熔点高达3540℃，具有优异的高温硬度和抗磨损性能。通过添加Si、B等元素形成的ZrC-SiC和ZrC-B₄C复合材料，可在高温下形成致密的SiO₂或B₂O₃保护膜，显著提高其抗氧化性能 。

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2. 碳化铪(HfC)：HfC的熔点高达3890℃，是已知熔点最高的二元化合物之一。HfC基复合材料在超高温环境下表现出优异的抗烧蚀性能和高温稳定性，是航天器热防护系统的理想材料 。

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3. 高熵碳化物陶瓷：华南理工大学研究团队开发的(Hf,Ta,Zr,W)C高熵碳化物陶瓷在2400-3000℃下表现出优异的抗氧化性能，其抗氧化性达到2.7μm·s⁻¹（3600℃），显著优于已报道的其他超高温材料。

2.4.3 超高温陶瓷基复合材料

为克服单一超高温陶瓷的脆性和抗氧化性不足等问题，科研人员开发了多种超高温陶瓷基复合材料：

1. 纤维增强超高温陶瓷基复合材料：通过在超高温陶瓷基体中引入连续纤维(如碳纤维、SiC纤维)，可显著提高材料的断裂韧性和抗热震性能。例如，C_f/ZrB₂-SiC复合材料的断裂韧性可达15.01 MPa·m¹/²，断裂功达3723 J/m²，在1400℃下的弯曲强度仍可达420 MPa。

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2. 层状结构超高温复合材料：通过设计层状结构或功能梯度材料，可有效缓解材料内部的热应力，提高其抗热震性能和使用寿命。例如，Hu等通过热压法制备的层状ZrB₂-SiC陶瓷，其抗弯强度和断裂韧性分别提升至960 MPa和8.8 MPa·m¹/²。

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3. 超高温陶瓷气凝胶：苏州埃尔默科技有限公司开发的1800型陶瓷气凝胶材料，可在长期1600℃、短期1800℃超高温工况下保持体积收缩率小于3%，同时具有优异的柔韧性和隔热性能，室温导热系数＜0.026 W/mK，1000℃高温环境下＜0.1 W/mK 。

2.5 新型超高温材料的应用领域

新型超高温材料在航空航天、能源动力、国防装备等领域具有广泛的应用前景：

1. 航空航天领域：超高温材料可用于航天器热防护系统、高超声速飞行器前缘和发动机燃烧室等关键部位。例如，清华大学研发的碳纳米管隔热材料可耐受2600℃高温，为航天器再入大气层提供有效防护 。

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2. 能源动力领域：在核聚变装置中，超高温材料可用于面向等离子体第一壁和偏滤器等关键部件。自钝化钨合金因其优异的高温稳定性和抗等离子体溅射性能，被认为是未来核聚变装置中最有前景的面向等离子体候选材料之一 。

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3. 工业热工领域：超高温陶瓷气凝胶材料已应用于工业窑炉高温区，替代原有保温材料，实现能耗降低和窑炉寿命延长 。

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4. 国防装备领域：超高温材料可用于导弹弹头、火箭发动机喷管等高温部件，提高其在极端环境下的可靠性和使用寿命。

三、人造太阳能中等离子体约束原理

3.1 核聚变能源与等离子体约束

核聚变是两个轻原子核结合成一个较重的原子核时释放能量的过程。在太阳内部，核聚变反应通过极高的温度和压力实现。而在地球上实现可控核聚变，需要创造类似太阳内部的极端条件，使轻原子核（如氘和氚）克服相互之间的库仑斥力，发生聚变反应 。

实现可控核聚变需要满足三个关键条件：足够高的温度（超过1亿摄氏度）、足够高的等离子体密度和足够长的能量约束时间。这三个参数的乘积（称为"聚变三乘积"）必须达到一定阈值才能实现自持的核聚变反应 。

在核聚变反应中，物质处于第四态——等离子体状态。等离子体是由自由电子和带电离子组成的导电气体，具有极高的温度和活性。由于等离子体中的带电粒子会与任何固体材料接触时发生强烈的相互作用，因此无法用常规的容器来约束高温等离子体。科学家们提出了两种主要的等离子体约束方法：磁约束和惯性约束 。

3.2 磁约束核聚变原理

磁约束核聚变利用强磁场将高温等离子体约束在特定的空间区域内，使其与容器壁隔离。由于等离子体中的带电粒子会沿着磁力线运动，因此可以通过设计合适的磁场结构来控制和约束等离子体 。

3.2.1 托卡马克装置原理

托卡马克(Tokamak)是目前最主流的磁约束核聚变装置，其名称来源于俄语"环形磁真空室"的缩写。托卡马克装置的基本结构是一个环形真空室，周围环绕着产生强磁场的超导磁体 。

托卡马克装置的工作原理是：

1. 磁场产生：托卡马克装置通过三种磁场系统共同作用来约束等离子体：

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- 环向磁场：由环绕环形真空室的环向场线圈产生，形成基本的环形磁场结构。

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- 极向磁场：由位于真空室内部和外部的极向场线圈产生，与环向磁场结合形成螺旋形磁场结构。

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- 垂直场：用于控制等离子体的位置和形状 。

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2. 等离子体产生与加热：通过欧姆加热（利用感应电流产生的焦耳热）、中性束注入加热和射频波加热等方法，将气体加热到极高温度，形成高温等离子体 。

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3. 等离子体约束：在强磁场作用下，高温等离子体被约束在真空室中心区域，形成一个环形的等离子体柱。磁场的强度和分布需要精确控制，以维持等离子体的稳定性和约束性能 。

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4. 等离子体控制：通过复杂的反馈控制系统，实时调整磁场参数，确保等离子体的位置、形状和稳定性符合要求。近年来，人工智能技术也被应用于等离子体控制，如中国科学家利用AI成功将等离子体稳定控制20秒以上，稳定性比人类操作时提高了50% 。

托卡马克装置的最新进展包括：

1. EAST装置：中国的全超导托卡马克实验装置EAST在2025年1月实现了超过1亿摄氏度、持续1066.76秒的高约束模等离子体运行，创造了新的世界纪录 。

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2. 中国环流三号：中国新一代"人造太阳"中国环流三号(HL-3)在2025年实现了百万安倍亿度的H模，即装置同时实现等离子体电流一百万安培、离子温度一亿度的高约束模式运行。此前，中国环流三号还在国内首次实现离子温度1.17亿度、电子温度1.6亿度的"双亿度"重大突破 。

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3. ITER项目：国际热核聚变实验堆(ITER)是目前全球最大的磁约束核聚变项目，旨在验证核聚变能源的可行性。截至2025年，ITER项目已取得显著进展，其核心部件如超导磁体、真空室等已进入关键制造阶段 。ITER的最终目标是实现可控核聚变反应，仅用50兆瓦的输入功率就能产生500兆瓦的输出功率，这种十倍的能量增益将首次证明聚变能作为实用能源的可行性 。

3.2.2 仿星器装置原理

仿星器(Stellarator)是另一种磁约束核聚变装置，与托卡马克不同，仿星器通过外部线圈产生的复杂三维磁场结构来约束等离子体，不需要等离子体电流产生的极向磁场 。

仿星器的主要优点是等离子体可以稳态运行，不需要像托卡马克那样周期性地启动和停止。然而，仿星器的磁场结构复杂，工程实现难度大，制造成本高。德国的Wendelstein 7-X仿星器是目前世界上最大的仿星器装置，已于2025年实现了长时间的等离子体约束 。

3.3 惯性约束核聚变原理

惯性约束核聚变(ICF)通过向燃料靶丸发射高能激光或粒子束，在极短时间内使靶丸表面材料迅速蒸发和电离，产生向外喷射的等离子体流。根据牛顿第三定律，这会产生向内的反作用力，使靶丸内爆，形成高温高密度的等离子体，从而引发核聚变反应 。

3.3.1 激光惯性约束核聚变

激光惯性约束核聚变是目前最成熟的惯性约束技术，其原理是：

1. 高能激光系统：使用多束高能激光同时照射一个微小的燃料靶丸（直径约几毫米），通常由氘和氚的混合物组成。

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2. 靶丸压缩与加热：激光能量被靶丸表面吸收，使表面材料迅速蒸发和电离，形成高温等离子体。等离子体向外喷射产生的反作用力使靶丸内爆，密度和温度急剧升高。

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3. 热核点火：当靶丸中心区域的温度和密度达到足够高的水平时，就会引发核聚变反应，释放出大量能量。

美国国家点火装置(NIF)是目前世界上最大的激光惯性约束核聚变装置，位于劳伦斯利弗莫尔国家实验室。NIF使用192束高能激光，总能量可达2兆焦耳。2025年4月7日，NIF实现第八次聚变点火，产生聚变能量8.6 MJ，靶能量增益因子Q值达4.13，这意味着输出能量是输入激光能量的4倍多。

3.3.2 Z箍缩惯性约束核聚变

Z箍缩技术是另一种惯性约束核聚变方法，其原理是利用强大的电流通过等离子体产生的磁场来压缩和加热等离子体 。

Z箍缩装置的工作原理是：

1. 等离子体形成：在真空室中产生初始等离子体，通常通过气体放电或激光电离的方式实现。

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2. 电流脉冲：向等离子体施加一个快速上升的强电流脉冲（通常为几百万安培），产生强大的环形磁场。

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3. 自箍缩效应：磁场对等离子体产生向内的洛伦兹力，使等离子体迅速向轴线方向收缩，密度和温度急剧升高 。

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4. 核聚变反应：当等离子体达到足够高的温度和密度时，就会发生核聚变反应 。

Z箍缩技术的优点是结构相对简单、成本较低，且可以产生极高的等离子体密度。美国桑迪亚国家实验室的Z机器是目前世界上最大的Z箍缩装置，中国的聚龙一号装置也在Z箍缩研究方面取得了重要进展 。

3.4 先进等离子体约束技术的最新进展

近年来，科学家们在等离子体约束技术方面取得了一系列重要突破：

3.4.1 高温超导磁体技术

高温超导材料的发展为磁约束核聚变提供了新的可能性。高温超导材料可以在相对较高的温度下（如液氮温区）保持超导性能，大大简化了磁体的冷却系统。

2024年8月，美国布法罗大学领导的团队研制出世界性能最高的高温超导(HTS)导线段，以稀土钡铜氧化物为基础，涵盖所有磁场和从5开尔文到77开尔文的工作温度范围。在20开尔文(商业核聚变的预期应用温度)时，这种导线在自场下每平方厘米可承载超过1.5亿安培的电流，在7特斯拉磁场下每平方厘米可承载超过6000万安培的电流。

高温超导磁体在未来核聚变装置中的应用将带来显著优势：

1. 更高的磁场强度：高温超导磁体可以产生更强的磁场，提高等离子体约束性能。

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2. 更大的装置灵活性：高温超导磁体可以设计成更灵活的结构，如可拆卸的磁体系统，便于装置的维护和升级 。

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3. 更低的运行成本：相比传统的低温超导磁体，高温超导磁体的冷却系统更简单，运行成本更低 。

3.4.2 人工智能在等离子体控制中的应用

人工智能技术在等离子体约束和控制方面的应用正在成为研究热点：

1. 等离子体稳定性控制：中国科学家利用AI成功将等离子体稳定控制20秒以上（对聚变实验来说，20秒已经是"长时长"），期间没有发生一次"边缘局域模"，稳定性比人类操作时提高了50% 。

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2. 等离子体形状控制：AI成功把等离子体塑造成了D形（能提高聚变效率）、"雪花"形偏滤器（能更好地排出余热），甚至还同时维持了两个独立的等离子体"液滴"，这些都是人类之前难以实现的操作 。

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3. 实时诊断与预测：利用机器学习算法对大量实验数据进行分析，可实现对等离子体状态的实时诊断和未来行为的预测，提高控制的精度和效率 。

3.4.3 新型等离子体约束概念

除了传统的托卡马克和惯性约束方法外，科学家们还提出了多种新型等离子体约束概念：

1. 场反位型(FRC)约束：这种方法利用磁场的特殊结构，形成一个内部磁场方向与外部磁场相反的等离子体构型，有望实现更高效的等离子体约束和更低的运行成本 。

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2. 球形托卡马克：球形托卡马克是传统托卡马克的改进型，其等离子体截面更接近球形，具有更高的约束效率和更小的装置尺寸 。

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3. 磁镜约束：磁镜装置利用两端强、中间弱的磁场结构，将等离子体约束在磁场较弱的区域，是早期研究的磁约束方法之一。近年来，磁镜约束技术与其他技术结合，形成了一些新的约束概念 。

3.5 核聚变装置的最新进展

3.5.1 ITER项目进展

ITER(国际热核聚变实验堆)是目前全球最大的国际合作核聚变项目，旨在验证核聚变能源的科学和技术可行性。截至2025年，ITER项目已取得显著进展 ：

1. 磁体系统：ITER的19个环向场线圈已全部完成，6个极向场线圈也均已完成并交付。美国提供的中央螺线管磁体被誉为ITER的"跳动心脏"，其超导磁场强度达到13特斯拉，是地球磁场的26万倍 。

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2. 真空室组装：韩国已生产并交付所有4个扇段部件，欧盟于2024年10月交付了第一个，第二个已于2025年3月完工。真空室第6、第7区段模块组装已于2025年完成，分别吊装到托卡马克中 。

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3. 组装工作重启：经历一段时期的拖延后，ITER组装工作于2023年重启，预计在2035年前实现全聚变实验 。

3.5.2 中国核聚变装置的最新成就

中国在核聚变研究方面取得了一系列令世界瞩目的成就：

1. EAST装置：中国的全超导托卡马克实验装置EAST在2025年1月实现了超过1亿度、持续1066.76秒的高约束模等离子体运行，创造了新的世界纪录 。

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2. 中国环流三号：中国新一代"人造太阳"中国环流三号(HL-3)在2025年实现了百万安倍亿度的H模，即装置同时实现等离子体电流一百万安培、离子温度一亿度的高约束模式运行。综合参数聚变三乘积再创新高，达到10的20次方量级 。

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3. 聚变堆主机关键系统综合研究设施"夸父"：2025年6月18日，该系统通过专家组测试与验收，全部实现国产化，性能达到国际领先水平。项目团队经过5年技术攻关，最终实现中心频率4.6GHz、微波源最大总输出功率4MW的工程突破 。

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4. 紧凑型聚变能实验装置BEST：该装置正在合肥未来大科学城紧张施工，目标是在地球上第一次演示用聚变能点亮第一个灯泡。按照计划，BEST装置将于2027年底建成，之后将在世界上首次演示聚变能发电 。

3.5.3 国际私营企业的核聚变项目

近年来，私营企业在核聚变领域的参与度不断提高，推动了核聚变技术的商业化进程：

1. Commonwealth Fusion Systems(CFS)：美国CFS公司与微软合作，计划在2026年建成SPARC装置，这是全球首个达到Q>1（输出能量大于输入能量）的核聚变装置。CFS公司已获得超过18亿美元的投资，其目标是在2030年实现商业化运行 。

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2. Helion Energy：该公司在2025年宣布其Fusion Engine项目取得重大突破，计划在2028年建成50MW的示范堆，并在2030年实现商业化 。

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3. Z-FFR项目：美国的Z-FFR(Z箍缩聚变-裂变混合反应堆)项目在2025年完成了初步设计，预计2035年实现商业化运行 。

四、结论与展望

4.1 超高温材料研究的主要成果

本报告系统介绍了比陶瓷更耐高温的材料研究进展，主要结论如下：

1. 难熔金属及合金：通过合金化和微观结构调控，开发出了一系列高性能钨基、钼基和钽基合金。自钝化钨合金在1000℃空气中的氧化速率比纯钨降低了一个数量级以上，钨铼合金在2000℃下展现出5.4小时的长效蠕变抗性 。

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2. 碳基材料：碳纳米管堆叠薄膜材料耐受极限温度突破至2600℃，是传统顶级隔热材料石墨毡的1/50 。碳/碳复合材料和碳化硅基复合材料在超高温环境下表现出优异的力学性能和稳定性。

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3. 超高温陶瓷复合材料：ZrB₂-SiC、HfB₂-SiC等复合材料在1600℃以上表现出优异的抗氧化性能和力学性能。ZrB₂-20vol%SiC复合材料在1600℃空气中的氧化速率低于80 g/m² over 2h at 1400℃。

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4. 超高温陶瓷气凝胶：1800型陶瓷气凝胶材料可在长期1600℃、短期1800℃超高温工况下保持体积收缩率小于3%，同时具有优异的柔韧性和隔热性能 。

这些材料在航空航天、能源动力、工业热工等领域具有广阔的应用前景，特别是在高超声速飞行器、航天器热防护系统和核聚变装置等极端环境下的应用。

4.2 等离子体约束技术的主要进展

关于人造太阳能中等离子体约束原理的研究进展，主要结论如下：

1. 磁约束核聚变：托卡马克装置是目前最主流的磁约束核聚变装置。中国的EAST装置在2025年1月实现了超过1亿摄氏度、持续1066.76秒的高约束模等离子体运行，创造了新的世界纪录 。ITER项目的核心部件如超导磁体、真空室等已进入关键制造阶段 。

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2. 惯性约束核聚变：美国国家点火装置(NIF)在2025年4月实现第八次聚变点火，产生聚变能量8.6 MJ，靶能量增益因子Q值达4.13。Z箍缩技术作为另一种惯性约束方法，具有结构简单、成本较低的优点，中国的聚龙一号装置也在Z箍缩研究方面取得了重要进展 。

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3. 先进等离子体约束技术：高温超导磁体技术为磁约束核聚变提供了新的可能性，高温超导导线在20开尔文时，在自场下每平方厘米可承载超过1.5亿安培的电流。人工智能技术在等离子体控制中的应用也取得了重要突破，稳定性比人类操作时提高了50% 。

4.3 未来发展趋势与挑战

4.3.1 超高温材料发展趋势

1. 材料设计理论创新：基于多尺度模拟和人工智能辅助的材料设计方法将成为未来超高温材料研究的重要方向，有望加速新材料的开发进程 。

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2. 多功能复合材料：通过多组元复合、梯度结构设计和纳米化等手段，开发兼具高强度、高韧性、高导热性和优异抗氧化性能的多功能复合材料将是未来研究的重点。

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3. 材料制备技术创新：3D打印、粉末注射成型等先进制造技术在超高温材料制备中的应用将不断扩大，有望实现复杂结构超高温部件的近净成形制造 。

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4. 材料服役性能研究：深入研究超高温材料在极端环境下的服役行为和失效机理，建立材料性能预测模型，为材料设计和工程应用提供理论支持。

4.3.2 等离子体约束技术发展趋势

1. 高温超导磁体技术：高温超导材料的发展将推动磁约束核聚变装置向更高磁场、更大规模方向发展，提高等离子体约束性能和聚变增益。

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2. 先进诊断与控制技术：人工智能、大数据和先进传感器技术的结合将为等离子体诊断和控制提供新的手段，提高等离子体运行的稳定性和效率 。

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3. 紧凑型核聚变装置：基于高温超导磁体和先进等离子体控制技术，开发更紧凑、更高效的核聚变装置，降低建设和运行成本，加速核聚变能源的商业化进程 。

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4. 多种约束技术协同发展：磁约束和惯性约束等不同技术路线将相互借鉴、协同发展，共同推动核聚变能源技术的进步 。

4.3.3 面临的主要挑战

1. 材料科学挑战：开发能够在极端温度、压力和辐射环境下长期稳定工作的材料仍然是一个重大挑战，特别是面向等离子体材料的抗辐照性能和高温稳定性需要进一步提高 。

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2. 等离子体物理挑战：理解和控制高温等离子体的复杂行为，特别是等离子体湍流、不稳定性和输运过程，仍然是等离子体物理研究的核心挑战 。

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3. 工程技术挑战：实现大规模、高效、经济的核聚变装置工程化，涉及超导磁体、真空系统、加热系统、冷却系统等多个复杂系统的集成和优化 。

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4. 能源经济挑战：降低核聚变能源的成本，提高其经济竞争力，是实现核聚变能源商业化的关键挑战 。

4.4 未来展望

尽管面临诸多挑战，超高温材料和等离子体约束技术的发展前景依然广阔：

1. 超高温材料领域：随着材料设计理论和制备技术的不断进步，预计未来10-20年内将出现一批具有更优异性能的超高温材料，特别是多功能复合材料和纳米结构材料，将为航空航天、能源动力等领域带来革命性变化 。

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2. 核聚变能源领域：随着ITER项目的推进和各国核聚变研究的深入，预计在2030-2040年代将实现核聚变能源的科学可行性验证，并逐步向工程示范和商业化方向发展 。

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3. 交叉学科发展：超高温材料和等离子体约束技术的研究将促进材料科学、物理学、化学、工程学等多学科的交叉融合，催生新的研究方向和技术突破 。

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4. 国际合作与创新：超高温材料和核聚变能源研究的复杂性和高投入性决定了需要加强国际合作与创新，共同推动这一领域的发展。ITER项目作为全球最大的国际科技合作项目之一，将为未来国际大科学合作提供重要参考 。

总之，超高温材料和等离子体约束技术的发展不仅关乎能源安全和环境保护，也将深刻影响人类社会的未来发展。随着科学技术的不断进步和国际合作的深入开展，我们有理由相信，人类终将掌握这两项关键技术，为实现可持续发展和探索宇宙空间提供强大的支撑。

来源：潘谋正