蘇更林

近期，我國(guó)可控核聚變研究不斷取得突破。2017年7月5日，全超導(dǎo)托卡馬克裝置“東方超環(huán)”（EAST）在全球率先實(shí)現(xiàn)上百秒的穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束等離體運(yùn)行，即穩(wěn)定“燃燒”了超過(guò)100秒。而我國(guó)科學(xué)家自主研發(fā)的“第一壁”，也把鈹推向了公眾視野。

沉睡在綠柱石里的寶貝

鈹為一種鋼灰色的稀有金屬，在元素周期表中排行第四，是最輕的堿土金屬元素。說(shuō)到鈹不能不提綠柱石，人們把鈹元素稱為沉睡在綠柱石中的“寶貝”。

一般的綠柱石和普通的石頭沒(méi)什么兩樣，其中罕有的色澤美麗者則是珍貴的寶石，如祖母綠、海藍(lán)寶石等?，F(xiàn)在我們知道綠柱石的成分為鈹鋁硅酸鹽，可在鈹元素發(fā)現(xiàn)之前，人們只知道其成分為硅酸鋁。

1798年，法國(guó)化學(xué)家沃克蘭通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，綠柱石和祖母綠這兩種外觀差別巨大的石頭具有幾乎完全相同的化學(xué)成分，除了含有已知的元素鋁、硅、氧之外，還含有一種新的未知元素。沃克蘭把這種元素命名為Glucinium（來(lái)源于希臘文glykys，是甜的意思，據(jù)說(shuō)是有人嘗了含有這種新元素的化合物粉末，感覺(jué)是甜的）。后來(lái)，德國(guó)化學(xué)家維勒還原出了單質(zhì)鈹，并將其命名為Beryllium，來(lái)源于綠柱石的英文名稱beryl。

鈹?shù)陌l(fā)現(xiàn)無(wú)疑是金屬鈹開(kāi)發(fā)利用史上的一個(gè)標(biāo)志性事件，但是金屬鈹?shù)奶崛〔⒉皇且环L(fēng)順的。鈹元素被發(fā)現(xiàn)30年之后的1828年，維勒等人才各自獨(dú)立地用金屬鉀還原氯化鈹制得單質(zhì)鈹，而且第一塊金屬鈹?shù)募兌炔⒉桓摺?898年，電解法首次被應(yīng)用于金屬鈹?shù)闹苽洹?932年，世界上第一個(gè)工業(yè)化生產(chǎn)鈹?shù)墓に囇b備投產(chǎn)，從而開(kāi)創(chuàng)了金屬鈹應(yīng)用的新紀(jì)元。

20世紀(jì)40年代初期，人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到鈹及其化合物對(duì)人體的危害。鈹及其化合物的粉塵、煙霧能引起人體很多器官的急性或慢性中毒，并且氧化鈹、氟化鈹、氯化鈹、硫化鈹、硝酸鈹?shù)然衔锏亩拘员冉饘兮數(shù)亩拘愿蟆?/p>

鈹青銅傳奇

金屬鈹一個(gè)重要的應(yīng)用方向就是合金制造。我們知道，青銅要比鋼鐵軟得多，彈性也不大，抗腐蝕能力也不強(qiáng)。但是，在青銅中加進(jìn)少許鈹后，其性能就發(fā)生了巨大變化。人們一般把含鈹1%～3.5%的青銅叫作鈹青銅。鈹青銅的機(jī)械性能比鋼還要好，并且硬度和彈性也提高了，抗腐蝕性也加強(qiáng)了許多，同時(shí)還保持了其良好的導(dǎo)電性。

由于鈹青銅具有許多優(yōu)異的性能，所以在許多領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。比如，鈹青銅常被用來(lái)制作深海探測(cè)器和海底電纜，也可用來(lái)制作精密儀器零部件、高速軸承、耐磨齒輪、焊接電極以及手表游絲等。在電子儀表工業(yè)中，鈹青銅還可用作開(kāi)關(guān)、簧片、接觸件、觸點(diǎn)、膜盒、膜片、波紋管等彈性元件。在民航客機(jī)上，多用鈹青銅來(lái)制造軸承，其具有耐蝕、耐磨、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，使用壽命也提高了4倍以上。用鈹青銅來(lái)制作電力機(jī)車(chē)的輸電線，可以進(jìn)一步提高其導(dǎo)電性能。用鈹青銅制成的彈簧，據(jù)說(shuō)可以壓縮幾億次以上。

含鎳的鈹青銅還擁有一個(gè)十分可貴的品質(zhì)，那就是在受撞擊時(shí)不產(chǎn)生火花，故在石油和炸藥等行業(yè)十分有用。同時(shí)，含鎳的鈹青銅也不會(huì)被磁鐵磁化，所以又是制造防磁零件的好材料。

宇航材料中的一張“王牌”

我們知道，降低航天器的體重可以節(jié)約發(fā)射費(fèi)用。鈹作為一種重要的輕金屬，其密度要比鋁小許多，而強(qiáng)度比鋼還大。因此，鈹是一種極其重要的宇航材料，兼具鈹和鋁各自優(yōu)勢(shì)的鈹鋁系列合金，被廣泛用作空間飛行器的結(jié)構(gòu)材料，如人造衛(wèi)星以及宇宙飛船的基架、梁柱和固定桁梁等。

含鈹合金還是制造飛機(jī)的優(yōu)質(zhì)材料，像方向舵和機(jī)翼箱等關(guān)鍵部件都可以找到鈹?shù)纳碛?。?jù)悉，在一架現(xiàn)代化的大型飛機(jī)上，大約有1000多個(gè)零部件都是用鈹合金制造的。

在金屬王國(guó)中，鈹?shù)臒釋W(xué)性能很好，并具有高熔點(diǎn)、高比熱、高熱導(dǎo)率和適宜的熱膨脹率等優(yōu)異性能。如用鈹來(lái)為超音速飛機(jī)制造制動(dòng)裝置，則具有非常好的吸熱和散熱的性能。用鈹來(lái)為人造衛(wèi)星和宇宙飛船制作“防熱外套”，則可以保證它們?cè)诖┰酱髿鈱訒r(shí)溫度上升不會(huì)過(guò)高，從而保障航天器的飛行安全。同時(shí)，金屬鈹還是制造慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵材料，對(duì)提高導(dǎo)彈、飛機(jī)、潛艇等的導(dǎo)航精度具有重要的意義。由于鈹對(duì)紅外光具有良好的反射性，因此還被應(yīng)用于空間光學(xué)系統(tǒng)。

“原子鍋爐”里的“多面手”

“原子鍋爐”是原子核反應(yīng)堆的俗稱，是核電站的核心裝備。在“原子鍋爐”內(nèi)，燃燒的燃料不是煤，而是核燃料——鈾235。核燃料的燃燒實(shí)質(zhì)上就是核的裂變反應(yīng)，從而釋放出大量的能量。然而，核的裂變反應(yīng)需要用“中子炮彈”去轟擊原子核，使原子核發(fā)生分裂。而鈹就是一種能夠高效率提供“中子炮彈”的“中子源”。

當(dāng)鈾235的原子核受到“中子炮彈”的轟擊時(shí)，一個(gè)原子核會(huì)吸收一個(gè)中子而分裂成兩個(gè)質(zhì)量較小的原子核，同時(shí)釋放出兩三個(gè)中子。這些裂變產(chǎn)生的中子又會(huì)去轟擊其他的鈾235原子核，從而引起新的裂變。由于新中子的速度非常之快，只有讓這類(lèi)快中子放慢“腳步”之后，才能使核裂變不斷地延續(xù)下去。鈹對(duì)中子具有很強(qiáng)的“制動(dòng)”作用，因此是“原子鍋爐”內(nèi)極佳的中子減速劑。

鈹在原子能工業(yè)中還有一個(gè)重要角色，那就是用作原子反應(yīng)堆的反射劑。原來(lái)，為了防止“原子鍋爐”內(nèi)的中子向外逃逸，需要在“原子鍋爐”的內(nèi)壁設(shè)置可靠的中子屏蔽層。鈹?shù)难趸锶埸c(diǎn)高達(dá)2450℃，耐高溫性能非常好，而且還能像鏡子反射光線一樣把中子反射回去。因此，鈹?shù)难趸锸侵圃熘凶臃瓷鋵拥膬?yōu)質(zhì)材料。

為“人造太陽(yáng)”建“居室”

在全球能源緊張的背景下，被譽(yù)為“人造太陽(yáng)”的熱核聚變工程正在緊鑼密鼓地進(jìn)行。然而，如何打造一個(gè)堅(jiān)不可摧的“反應(yīng)艙”始終是最大的難題。最近，我國(guó)科學(xué)家自主研發(fā)制造出“人造太陽(yáng)第一壁”。

“第一壁”采用的材料看上去就像“三明治”一樣，在反應(yīng)堆內(nèi)直接面對(duì)高溫聚變材料的是經(jīng)過(guò)特殊處理的高純度鈹。在高純度鈹?shù)耐饷嬉来螢殂~合金和不銹鋼，它們與高純度鈹經(jīng)過(guò)特殊的加工工藝已經(jīng)成為了一個(gè)有機(jī)的整體，因此具有非凡的隔熱防護(hù)效果。

要知道，“人造太陽(yáng)”的工作溫度有上億度，要為其制造一個(gè)堅(jiān)固“容器”，簡(jiǎn)直比登天還難！我國(guó)科學(xué)家用特殊的方法打造“第一壁”的特殊結(jié)構(gòu)，從而抵御了“人造太陽(yáng)”裝置內(nèi)部上億度的高溫環(huán)境，為熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆筑起了一道堅(jiān)固的“防火墻”。

擦亮X射線管的“眼睛”

金屬鈹還有一個(gè)絕活，那就是對(duì)X射線是“透明”的，因此被譽(yù)為“金屬玻璃”。也就是說(shuō)，金屬鈹透過(guò)X射線的本領(lǐng)十分強(qiáng)大，這一點(diǎn)在X 射線管上能派上大用場(chǎng)。

所謂X 射線管，實(shí)際上就是一個(gè)X 射線的發(fā)生器件。X射線管主要由三個(gè)部分組成，一是陰極（電子槍），這是產(chǎn)生電子并將電子束聚焦放出自由電子的部分；二是陽(yáng)極（金屬靶），這是發(fā)射X射線的部分；三是窗口，這是X射線的輸出通道。X射線管的工作原理為，在真空條件下，用高速運(yùn)動(dòng)的電子去轟擊金屬靶，從而發(fā)射出X射線來(lái)。然后用輸出的X射線，進(jìn)行分析、診斷和治療等應(yīng)用。

你可別小看這個(gè)X射線管輸出的窗口，它對(duì)材料的要求可是很高的，既要滿足一定的強(qiáng)度要求，以維持管內(nèi)的高真空；同時(shí)還要滿足對(duì)X射線的吸收要小，以保證X射線的強(qiáng)度。因此，鈹是制造X射線管“窗口”的絕好材料。endprint