中國新一代可控核聚變大科學裝置“中國環(huán)流三號”。
新華社發(fā)
具備干預(yù)溫度的能力，突破自然溫度的束縛，對人類發(fā)展產(chǎn)生了極其深遠的影響，火的利用甚至被看作人類文明進步的重要標志之一，不僅極大改善了人類的生理狀態(tài)，促進了社會性交往，而且催生了陶器的燒制和青銅、鐵器的冶鑄，極大推動了社會生產(chǎn)力的進步。進入現(xiàn)代社會之后，人類對溫度進行干預(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錄，不斷制備出耐高溫和抗低溫新材料，促進能源結(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)新活力和為增進人類福祉所作出的卓越貢獻。
推進“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“造個太陽”，獲得源源不斷的能源，是國際科學界從上世紀80年代中期開始就致力于實現(xiàn)的目標，并為此實施國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃。中國從成為ITER計劃成員后，就為推進該計劃付諸努力，特別是承擔了約20個采購包的制造任務(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)品從廣東廣州運往法國，這是全球首發(fā)的包層屏蔽模塊，標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)定運行，是聚變堆建造的關(guān)鍵部件之一。
此次運送的模塊產(chǎn)品由中國東方電氣集團有限公司與中國核工業(yè)集團有限公司西南物理研究院合作研制。在歷時多年研制期間，雙方聯(lián)合科研團隊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。2月29日，中國核工業(yè)集團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驗堆“心臟”設(shè)備之后，再次承擔其核心設(shè)備的安裝任務(wù)。真空室模塊組裝是目前ITER項目最重要設(shè)備在關(guān)鍵路徑上的工作，對整個項目的成功起到至關(guān)重要作用。
在積極參與ITER計劃的同時，中國科學家也在自主設(shè)計研制可控核聚變大科學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” 項目傳出捷報，在國際上首次發(fā)現(xiàn)并實現(xiàn)了一種先進磁場結(jié)構(gòu)，對提升核聚變裝置的控制運行能力具有重要意義。這標志著中國在可控核聚變領(lǐng)域取得重要成果，將進一步促進全球清潔能源技術(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，兼具絕對零電阻和完全抗磁性兩個獨立特性的超級導(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)境才能實現(xiàn)超導(dǎo)電性，尋找新型高溫超導(dǎo)體材料一直是科學家孜孜以求的目標。
今年7月和10月，國際學術(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個中國團隊合作完成，證實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)機理提供了新的視角；后者由多個中外研究團隊合作完成，發(fā)現(xiàn)在一種雙鎳氧層鈣鈦礦材料中，實現(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，這一成果對于鎳基高溫超導(dǎo)材料的進一步優(yōu)化設(shè)計與合成具有重要指導(dǎo)作用，有望推動鎳基高溫超導(dǎo)體的研究進程。
在鎳基超導(dǎo)研究方面，中國科學家之前就已經(jīng)作出了開創(chuàng)性貢獻。2023年7月，《自然》刊發(fā)了中國中山大學的王猛教授團隊主導(dǎo)的一項研究成果：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，對推動破解高溫超導(dǎo)機理，對設(shè)計和預(yù)測高溫超導(dǎo)材料提供了更多可能性。
經(jīng)過不懈努力，中國科學家在鎳基超導(dǎo)體研究中率先獲得重要進展，不僅發(fā)現(xiàn)了多個鎳基超導(dǎo)體系，而且詳細研究了材料的宏觀和微觀物性，提出了多個可能的理論模型，促進了對該領(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，中國西北大學一個研究團隊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科學新發(fā)現(xiàn)。相關(guān)成果已發(fā)表于《先進材料》等國際學術(shù)期刊。
該研究團隊此次研究的合金材料包括鈮合金。鈮是種難熔金屬，熔點超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。
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，實驗柜利用靜電場所提供的電場力，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驗室具有極高的科研價值，為科研人員提供了獨特的微重力、高真空、超潔凈的環(huán)境，完成一些在地球上無法實現(xiàn)的科學實驗和技術(shù)試驗，制備新型材料、培養(yǎng)新型蛋白質(zhì)、觀察新型物理現(xiàn)象、探索新型化學反應(yīng)，將推動空間制造、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
動力電池技術(shù)推動了汽車行業(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，同時放電效率也會變慢，給駕乘者造成“里程焦慮”，也影響汽車運行性能，因此科學家一直在研制抗低溫甚至抗超低溫的電池。
2024年初，中國科學院大連化物所的陳忠偉團隊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)定運行，能量密度達到每千克260瓦時。在-60℃、0.5C（電池以其額定容量0.5倍的電流進行放電）運行條件下，放電容量可達80%以上；-40℃、0.5C運行條件下，放電容量可達95%，循環(huán)壽命超過500次，性能達到國際領(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，中國科學院大連化物所發(fā)布消息稱，陳忠偉團隊的抗低溫電池技術(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)級復(fù)合翼無人機，順利完成試飛。在試飛過程中，無人機順利完成起飛、爬升、高速巡航、降落等測試環(huán)節(jié)，高質(zhì)量完成了3小時飛行試驗，驗證了高比能鋰電池的高效能量儲備能力與運行穩(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、材料科學、量子計算等，會用到極低溫環(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現(xiàn)，但自然界中氦元素較為稀缺，如何不用氦元素實現(xiàn)極低溫制冷，獲得極低溫環(huán)境，成為科學界攻關(guān)的一大難題。
1月，中國科學家在《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)存在的實驗證據(jù)，利用該晶體，通過絕熱去磁獲得-273.056℃極低溫，實現(xiàn)無液氦極低溫制冷。
超固態(tài)是物質(zhì)在接近絕對零度即-273.15℃時呈現(xiàn)的一種量子態(tài)，物質(zhì)此時既有晶體態(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。磁性材料隨外磁場變化可產(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。中國科研人員歷時約3年，克服了極低溫下的漏熱控制與溫度測量等諸多難題，研發(fā)出新型低溫測量器件，最終實現(xiàn)了-273.056℃極低溫。
上述成果是基礎(chǔ)研究的一項重大突破，將其轉(zhuǎn)化成實際的器件和制冷機雖然還要克服科學和工程技術(shù)的巨大挑戰(zhàn)，還有很長的路要走，但是為國際科學界提供了重要啟發(fā)和思路，進一步促進該領(lǐng)域研究深入開展。
