很多人小时候都玩过一个游戏。
过年的时候将鞭炮点燃,然后用一个盆盖住鞭炮,但鞭炮炸的情况。
简单的说,聚变堆就和这差不多,而第一壁材料,就是那个盆。
第一壁材料有两个核心问题,高能中子辐照和以及高通量氘氚(等离子体轰击。
在高能中子辐照方面。
目前研究的基本上是最容易实现的D-T聚变:每个D-T聚变都会产生一个14.1 MeV的中子。由于中子不带电,无法用磁场约束,会直接轰击到第一壁材料上产生损伤。
每个D-T聚变都会产生一个14.1 MeV的中子。由于中子不带电,无法用磁场约束,会直接轰击到第一壁材料上产生损伤。
14.1 MeV是个很大很大的能量,要知道材料中束缚原子的都是各种化学键,其键能大约在1-10eV之间。
也就是说,一个14.1MeV的中子所携带的能量,足以破坏成百上万个普通的化学键,这无疑会对材料造成难以恢复的损伤。
在聚变堆李,高能中子就像一颗颗射向材料的子弹,不断的撞击金属原子,打断其周围的化学键,迫使原子离开原来的位置,从而破坏整的原子排布。
原子被击跑了,原来的地方自然就留下一个空位,一个个这样的坑在材料内部积累聚集起来,就变成了大的孔洞。
另外,被击跑的原子并不会小时,而是会通过各种方式扩散到材料表面上去。原子不断的从中心往表面转移,材料就慢慢的像空心泡沫一样肿胀起来,这种尺寸的变化对正常服役的材料是致命的。
除了辐照肿胀,中子辐照在材料中产生大量缺陷也会影响材料的力学性能,使得材料变硬、变脆、更容易断裂,从而影响聚变堆的安全运行。
中子还会和材料进行核反应,改变材料的元素组成,例如金属W就会变成Re、Os、Hf、Ta。
时间一长,材料的组成会变得和开始时完全不一样,这对材料的影响也是非常大的。
中子辐照问题虽然在裂变堆中也有,但裂变堆的中子无论是能量还是通量上都要比聚变堆低很多,因此裂变堆材料的技术也无法直接移植到聚变堆中。
而在高通量氘氚等离子轰击方面。
聚变堆对D-T等离子的约束也并不完美,反应堆中会有大量的D-T离子轰向第一壁材料。由于T燃料价格十分的昂贵,上亿人民币一公斤,因此在聚变堆中都是通过中子和锂反应来进行循环利用的。
为了避免T呆在材料中不出来,第一壁采用的是金属中对氢亲和力最弱的钨。T进入钨中后难以和材料本身有效结合,只好重新跑出来,继续参与聚变。
虽然钨本身不和T结合,但中子辐照会产生的空洞对T的吸引力却非常强,T一旦跑进孔洞中去就很难出来了。
这就使得T燃料滞留在材料内部,从而破坏上面的T循环,使得T越用越少。
没有T了,自然无法进行聚变。
此外,作为气体氢的同位素,D-T在进入材料孔洞中后会形成气体分子。这些气体分子挤在有限的空间内,会形成十分高的压强,从而挤出氢气泡,使材料进一步开裂,造成严重的破坏。
裂变堆中基本上没有D-T问题,这个问题对于聚变堆材料来说是全新的,目前对于该问题的研究尚处于研究阶段。
就连基础研究的科学现象都还没有得到解释。
距离研发出商用聚变堆材料还有很长的路要走,别问,问就是商用五十年往后。
另外还有其他困难。
聚变堆中的服役环境是极端严苛的,这意味着做相关实验的难度也十分的大。
例如。
研究聚变堆材料,显然需要进行中子辐照实验,但这个星球上的中子源是十分稀缺的,做一次中子辐照实验不仅耗资巨大,还可能耗费数年的时间来积累足够的中子损伤。
当前文献中能够找到的中子辐照数据屈指可数,这对新材料的研发显然是不利的。
现在研究聚变中子辐照,往往采用的是离子辐照来类比,但依然很贵!
而且离子还带电,在材料中的穿透深度很浅,只集中在材料表面的几个微米内;而中子往往能够穿透整个材料,引起均匀的辐照损伤。
因此,离子辐照的结果能有多少能用于中子辐照还真不好说。
另一个研究思路则是利用超级计算机,直接在虚拟世界中模拟中子辐照对材料的损伤,但也是很多研究所在做的事情。
但这个思路也面临着极大的挑战。
要在计算机中构建一个模型,其时间尺度横跨飞秒到年,空间尺度从埃米到厘米,中间几十个数量级的差别犹如天堑。
没有任何超算能够精准的模拟这一过程,现在只有用各种‘真空中的球形鸡’来简化模型。
“怎么?能不能腾出时间来?”田教授继续鼓动慕景池,“你那个准点下班回家的习惯可以改一改,晚回去两三四个小时也没事。”
慕景池摇摇头,还是拒绝了。
第一壁材料对现在的慕景池而言,这几乎无解。
这种高能环境下任何材料结构都被打烂了,如果现在的均质材料都不行,那基本上没辙。材料科学本来就是在材料微观结构上想办法,这微观结构都被打碎了,再牛逼的工艺也不好使啊!
就算慕景池得到未来的相关知识,也没有核聚变商用的相关信息。
要么是未来也没有突破核聚变的问题,要么萃取的知识有局限,并没有被收录到核聚变的相关知识。
以现在的慕景池来看,这个问题不是单纯的材料能够解决的。需要材料、数学、物理、计算机等等领域的通力合作才能完成的。
不论是托卡马克,还是仿星堆,亦或者是原理不同的NIF,三阿尔法能源的聚变堆,都不可能绕开这个第一壁。
“您还是另寻高明吧!”慕景池摇摇头,“我没什么时间和精力,也没那个能耐去搞着这第一壁材料研究。”
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