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小蜜蜂

有哪些能实现可控核聚变的材料?



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托卡马克磁约束聚变装置中,服役环境最恶劣的材料当属面向等离子体材料,也就是直接包裹等离子体的那一层材料。

目前来看,面向等离子体材料主要有两个比较难解决的问题:

一、辐照损伤

每个氘氚聚变产生一个14 MeV的高能中子,这个能量大约是常见的化学键键能的一百万倍左右。所以没有任何材料能在高能中子辐照下不受损伤。

常用的金属材料,在微观上都是一群整齐排列的原子,一颗高能中子打过去的效果大概类似于:

一个原子被击跑了,它原来待的地方自然就留下一个坑(空位)。一个个这样的原子坑在材料内部积累聚集起来,就变成了大的空洞或者裂纹。材料就很容易从这些缺陷处断开(辐照脆性)。

同时,材料中间慢慢空了,但被击跑的原子并不会消失,而是跑到材料中别的地方去。很多原子最后跑到材料表面上去了。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起来了(辐照肿胀)。

因此,我们要做的,就是让大部分被击跑的原子,在它跑到表面上之前能碰上其他的坑(空位)。原子填到去坑里去了,就什么事情都没有了。

我们给这个填坑的过程起了个高大上的名字,叫辐照损伤的自修复。

二、氚滞留

聚变堆是氘氚聚变,可氚这玩意人工制造难度大,价格老贵了,几亿美元一公斤。所以聚变堆中的氚都是循环利用的。类似于化学反应中的催化剂,参与反应,但总量不减少。

可光反应不消耗也不够啊,氚还是个多动症患者,喜欢跑。它慢慢渗透到材料里边去。上面不是说了么,中子辐照会在材料内部打出孔洞来。氚渗透到这孔洞里边,觉得洞中宽敞自在不想走了怎么办?

办法倒是有。你不出来行啊,我把材料加热升温,氚在孔洞里面热的受不了,就跑出来了。

但根本的解决方案,还是要减少孔洞这类缺陷。氚无处可跑,自然就待在芯部安安心心进行聚变反应啦。

【其他评论】---------------------------------------------------------

这基本上是完全对口的问题了,我先来占个坑,之后建立在Zinkle和Wirth的文章上,来写一写聚变堆(限于托克马克装置)特有的辐照环境下,抗辐照材料所需要面对的问题。

提到了聚变产生的中子辐照对材料造成的损伤,我想把这一块展开说说。

从目前已经成熟的商用反应堆(Generation II-III),到仍在进行可行性研究的四代堆(钠冷快堆SFR;熔盐快堆MSR;高温气冷堆VHTR;盖茨投资的,泰拉能源的行波堆TWR),再到“似乎永远只是一个梦的”聚变堆。结构材料在这几个堆型中受到的中子辐照损伤,下面这张图做了一个很好的概括。

横轴的Displacement per atom(dpa),是核材料研究中,量化辐照损伤的单位。我们可以看到,相比目前成熟的核能商用堆(Generation II-III),聚变堆(Fusion)中的结构材料需要承受更高的辐照损伤。盖茨的行波堆(TWR),更是超过聚变堆三倍之多,已经是飞出了这个图的范围之外。

更大剂量的辐照损伤,会造成什么后果呢? 在他的回答里提到了辐照导致的材料肿胀(void swelling)。目前商用堆常用的奥氏钢,在度过了最初的低肿胀区间后,会进入 ~1% volume change/dpa的快速肿胀区间。

工程部件一般不会允许5%以上的体积变化。而区区5个dpa,就足以超越5%。

再回到上图:聚变与目前商用堆的dpa要求,是大于50dpa的。如果保持这个1%的肿胀趋势,后果不堪设想。

然而,dpa这条横轴,只是这张图的一半;纵轴,温度,也同样重要。

在相同的辐照损伤dpa下,取决于材料被辐照时的温度,材料性能下降的方式是完全不同的。Zinkle与Snead在2014年的综述文章中对这个问题的概括如下(Tm,材料熔点)

换句话说,一种材料在低温下抗辐照性能良好,并不代表在高温下同样性能稳定。而由于聚变堆对材料的性能提出了比目前商用堆更广的“温度”要求,“温度”这个领域的问题就变得和辐照损伤剂量dpa同样重要。

举一个简单的例子,马氏体钢相比奥氏体钢,在中温情况下,有着更好的抗肿胀性能。

然而这并不能说,马氏体钢是比奥氏体钢“更好”的抗辐照材料。

因为在低温情况下,马氏体钢相比奥氏体,更容易失去延展性。

最后回到这个问题本身:有哪些能实现可控核聚变的材料?

我的想法是:目前,100dpa及以上这种级别的中子辐照损伤还在研究阶段。讲真,没人知道在这种超高辐照剂量情况下,我们目前材料辐照的理论仍旧合理。而在聚变反应堆中,材料的问题实在太多,中子辐照损伤以及反应堆的运行温度也还不是全部。比如,等离子体在非稳态(如ELM)情况下造成的材料损伤,完完全全是另一个故事,另一些理论以及另一个挑战了。。。

套用诺贝尔奖获得者Pierre-Gilles de Gennes的一句很有趣的话:

“我们说我们要把太阳放进一个盒子里。这个想法很美。问题是,我们不知道怎么去制作那个盒子”

We say that we will put the sun into a box. The idea is pretty. The problem is, we don’t know how to make the box

这个“盒子”的制作之难,在我看来有两面:一面是等离子体的模拟与控制,另一面,就是找到合适的材料去制作它了。

最后把提到的两篇文章亮一下吧(Wirth在计算方面的综述来不及扯了,本来材料辐照损伤这个领域也没太多人感兴趣。。。如果有兴趣咱可以在评论里讨论。。。比我一个人傻傻的码字有意思多了。。。):

【1】Zinkle, S. J., & Was, G. S. (2013). Materials challenges in nuclear energy. Acta Materialia

【2】Zinkle, S. J., & Snead, L. L. (2014). Designing Radiation Resistance in Materials for Fusion Energy. Annual Review of Materials Research

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