核聚变的主要难点之一为什么是材料？ 第1页

烧水的时候，发现杯子融了，咋整？

纸杯烧水能行只是因为火力还不够大

其实我主要的关注点都在物理上，对壁材料之类的问题不大了解。不过几位前辈已经把壁材料这一块的科普内容说的比较清楚了，我就从物理角度说一点吧。

如今激光约束路径以及被 NIF 的悲观结果泼了冷水，磁约束路径基本成为了实现聚变的唯一希望。而为了实现高品质的磁约束，必须提供强且稳定的磁场。而这一磁场需求也并非在做到“长时间维持较强磁场”之后便万事大吉，哪怕对ITER量级的装置而言，更强的环向磁场也意味着更大的等离子体电流与更高的等离子体密度——无论哪一个都对改善约束大有裨益。

事实上，如果我们能够将装置中的环向场提高一倍，那么实现相应等离子体参数所需的装置直径也基本上可以缩小一倍。凭借 10T 左右的环向磁场，MIT 的 Alcator 系列装置可以用不到一米的半径跑出与那些规模数倍于它的大装置接近的参数。这意味着用强场装置实现聚变的成本更低，也是 MIT 所鼓吹的“强场磁约束”路径的主要吸引力所在。

那么，既然强场约束装置看起来如此美妙，为什么我们不直接将 ITER 的环向场提高一倍呢？答案很简单：目前的材料科学水平还不允许我们这么做。

一、超导材料的一般限制

首先介绍一下关于超导的基础知识：超导态不仅有临界温度，还有临界磁场与临界电流密度。事实上这三者相互影响，构成了一个在温度-磁场-电流密度的三维坐标系中的曲面。当超导体的状态处于这个临界曲面以下时，超导态才能维持，否则便会回到导电性较低的通常状态

所以对任何超导体而言，其工作区间都会被这一组电性能参数所限制。如今综合性能最佳的低温超导材料是 Nb3Sn 线材，它能在 4K 的低温下稳定产生 10T 左右的强磁场。

但这还远谈不上充足：超导线圈并不会直接面向等离子体，中间还会有冷却系统、中子减速层等诸多间隔。对 ITER 这样的大装置而言，即便将 Nb3Sn 线材的潜能压榨到极限，等离子体芯部对应的环向磁场也只会有 5~6T，这样的磁场足以维持聚变，但正如前文所说，环向场强度是多多益善的。

二、高温超导材料的潜能

与 Nb3Sn 一类的低温超导材料相比，高温超导材料的电性能看起来诱人不少。在 4K 冷却下常见的低温与高温超导材料的磁场-临界电流密度曲线如下图^[1]。从图中能直观的看出以 YBCO 为代表的高温超导材料相比于低温超导材料有多大的性能提升。

但高温超导材料也有其自己的问题：它们的力学性能普遍都太差了。直观地讲，Nb3Sn 本质上是一种金属合金，而 YBCO 本质上是一种陶瓷，其脆性会导致它在托卡马克场景中常见的巨大电磁应力之下表现得异常脆弱，远没有 Nb3Sn 合金那么强的鲁棒性。

总的来说，超导磁体与聚变能的研究方向一样，任重而道远。

参考

1. ^David Larbalestier , SuperPower 10th anniversary, Slide 4 Schenectady NY, March 15, 2010 http://www.superpower-inc.com/system/files/2010_0315_Larbalestier+SP10th+Anniv.pdf

刚刚看了 @小侯飞氘 的回答，深表赞同。我本人是研究聚变堆第一壁结构材料的，这里我就从材料设计上的观点上略微说一下我的看法吧。

材料问题，我的关注点在包层这块，大体上就是这样的机构^[1]不过今天我们主要不说这个，我们说材料设计的问题。

0.一些前置科普

聚变堆（本文特指D-T聚变）辐照损伤，最容易想到的就是聚变中子直接轰击材料带来的损伤。这类轰击可以直接将材料中的原子撞出晶格，产生大量的空位和间隙原子。在继续说明之前我们需要先科普一个概念来说明辐照损伤有多强：

辐照损伤的计量单位通常为dpa（displacement per atom），即表示平均材料中每个原子被撞出的次数。现有的快堆中，材料需要承受超过100dpa的辐照损伤量，聚变堆则要求更高。这是一个很恐怖的概念，100dpa意味着材料中平均每个原子会被撞出晶格100次。即使是用于实验目的的工程实验堆，以中国CFETR设计来说一期工程要达到10dpa（预计21世纪20年代），二期要超过50dpa（预计21世纪30年代）。^[1]

1.金属材料中的辐照损伤

显然，材料中肯定存在某种缺陷回复机制，否则100dpa之后晶格将不复存在，这与实验结果是完全相悖的。现有实验条件有了很大的改善，高dpa实验不再是梦想，至少现有结论表明800 dpa的辐照损伤不可能完全摧毁晶格^[2]。

实际上，材料中被轰击产生的空位和间隙原子绝大部分会相互弥合，就好像什么都没有发生过那样。但问题就在于少数没有弥合的缺陷，他们相互聚集成为位错和空洞。前者，会导致材料强硬化；后者会导致材料肿胀。给大家放几张图吧

纯铜中产生的大量空洞（因为是He离子辐照的），大家可以想想一下如此高密度的空洞会导致材料肿胀成什么样子，这个实验是离子辐照代替的中子辐照，dpa峰值才6左右。^[3]

中子辐照下9Cr2W低活化钢中的的位错环，注意这个是低活化钢，专门设计用在辐照环境下的，但是dpa只有大约0.1^[4]

大家可以想象一下dpa升高到上百倍是什么结果......所以，必须基于辐照损伤去进行新材料设计。渐渐地大家已经发现了一下规律：

1. 相比于fcc（面心立方）的金属来说，bcc（体心立方）的金属更难发生辐照肿胀，所以现在正在发展的材料大都是bcc结构的，如铁素体/马氏体钢、钒合金。
2. hcp（密排六方）结构的金属似乎和c/a相关。一些六方的金属具有几乎完美的辐照损伤特性，比如Be。but......Be有毒，加工和冶炼成本高的恐怖。据说原料费是1kg的Be需要30k软妹币.....
3. 界面的存在可以大幅度的改善辐照缺陷带来的性能降低，再加上还有抗蠕变的需求，所以ODS（氧化物弥散强化）化也是一个重要的设计方向。但是ODS钢造价要是普通钢的好几倍。
4. 相比于普通金属来说，有序合金的抗辐照损伤能力要强得多，but......力学性能太烂，完全没法使用。

仅仅考虑辐照损伤层面，大体上只能有bcc和hcp的金属可以使用，其他短时间内都没有应用的前景。这已经让材料学家们抓狂了，不过幸好Fe这个神器（可以）是bcc的，看起来还没那么糟。然鹅......这才是冰山一角。

2. 高温力学性能的限制

聚变堆目前的规划中对结构材料的高温性能要求不一，但是基于最基本的热机原理，工作温度越高反应堆的热效率越高。而限制工作温度的主要因素就是材料的高温力学性能。

对于绝大多数材料来说，不是在达到熔点才不能使用的。在远低于熔点时材料就会发生软化从而丧失力学性能；在更低的温度，如果有载荷的作用（结构材料本来就是承担载荷的，所以载荷不可避免）就会发生蠕变，从而逐渐变形。因此，材料必须具备较高的高温力学性能，尤其是抗蠕变的能力。

不过还好，材料学家们对抗蠕变材料的研究早就已经起步了，所以相关理论和合金都还算有储备。我们有很多合金元素可以用来提高抗蠕变能力，还有ODS化这个神器，另外就是还有V合金这样天生高温性能好的材料。

除了蠕变外，还有一个重要因素就是DBTT（韧脆转变温度）。如果DBTT太高了，材料将会长期处于脆性状态，这是很危险的一件事。所以在材料学家们各种骚操作提高高温性能的时候还要兼顾DBTT这个东西。毕竟，大部分能提高高温强度和抗蠕变能力的操作......额，都会让DBTT升高

看起来似乎只要节制一下，解决高温问题还是很有希望的。

......天真

3. 活化

要知道这个材料是在反应堆里的，还是中子能量高达14MeV的聚变堆。如此高能量的中子轰击原子时除了会将原子撞出晶格外，还会导致一些列的中子核反应。结果是什么呢？可能会产生大量的放射性核素。

这就要了命了，要知道反应堆也是要维护检修和退役的，结构材料全变放射性的了这还让人活不。所以科学家们只能把可以选用的元素进行一下限制，这些被活化后放射性产物半衰期短的元素就是低活化元素。设计目标很明确，停堆个几个月放射性就很低了就行，这样处理成本就低很多了。

看上去还是很美好吧。但是等材料学家们看到所谓的低活化元素表的时候，直接就炸了，他其中的一个版本长这样^[5]：

能给材料学家们放手无限制使用的元素只有22个，就是上图汇总蓝色的区域。能做合金基体的只有Be、V、Fe......没了就算考虑到W铠甲再把W加上那也没几个可选的。

比较可怕的是紫色和红色区域的元素，这些都是要在合金中尽可能控制的，其中红色的格式要以ppm级别去控制。为啥，因为这堆家伙家伙的活化产物可能需要上万年时间来逐渐衰变。材料学家们都要哭了，看看这都是什么元素：Mo、Al、绝大部分稀土、Ni、Nb、Hf、Co......大部分钢中的合金元素都毙掉了

所以，以低活化元素做成的低活化钢的力学性能实际上要比普通马氏体刚差得远，没办法，一些必要的元素必须替换成低活化的。这也导致了低活化钢比如RAFM（低活化铁素体马氏体钢）的性能总是不那么令人满意。

材料学家们表示我不慌，我一点也不慌，我们还有一个大招叫ODS化。通过弥散在合金基体中的ODS小颗粒，我们可以提高材料的强度、抗蠕变、抗辐照。似乎一切都大有可为啊。

4. 冶金

很快冶金学家们就找上门来了，“谁给的材料设计，你给我出来！”

这是由于传统的ODS钢必须要使用粉末冶金的方法去制造，且不说成本要高得多，粉末冶金法目前还是没法制备大尺寸部件，虽然搞粉末的材料学家很努力的在试图用喷射成型、3D打印等方法解决这个问题，但目前还有待进一步发展。（这里说个题外话，貌似某钢的喷射成型已经能做到5~10吨级了，计划好像是500吨级，如果这个问题能解决，那搞粉末的估计会笑醒，诸君加油吧。）

部分材料学家们只能另辟蹊径去搞ODS钢的熔炼法制备，当然我本人是持悲观态度的。目前见诸报道的文献中并未有突破性的制备技术、而熔炼法做出的性能实在是太烂，ODS相也大的离谱。

不管怎么说，似乎冶金上的问题还是有希望解决的。

5. 焊接

“谁设计的材料你给我出来！”，搞加工的又来了，“你给我所ODS钢你让我们怎么焊接，你存心难为我是不是！”

刚刚我们说过ODS钢中大量的弥散相提高了材料的性能，但是问题也就来了。如果焊接的话，局部熔化再重新凝固，ODS相会在重力和固液界面张力的作用下严重偏析......焊接似乎不太可行。实际上早在粉末冶金诞生的时候材料学家们就知道这个问题了，这也是为什么ODS合金使用粉末冶金生产的缘故。

既然生产可以使用粉末冶金这样的纯固相烧结机制，那焊接能不能呢？当然也是可以的，比如搅拌摩擦焊和爆炸焊等。还可以捎带解决一下异种金属的焊接问题。

其实还有另一个思路，就是充分发挥粉末冶金的特色，一体化直接成形。只不过现阶段材料性能都不太过关，一体化成形这个思路只能往后排了。

6. 等离子体

除了高能量的中子外，聚变堆内大量的D、T、He也会不断轰击材料的表面。这些离子的能量要比中子低得多，似乎威胁不大。但很不幸，你还记得中子轰击产生的空位吗？这些离子会合空位复合形成He-空位复合体这样类似的东西，不断聚集从而产生大量的气泡。这个问题是裂变堆中不曾出现的问题，会极大的加速材料的失效过程......

更可怕的在于聚变堆中的氚是通过中子核反应的方式自持的，比如和Li反应（之前错记成B了，年纪大了脑子不管用了）。所以氚增值系数不能太小，太小的话氚就越用越少，反应无法持续进行，类似链式反应那样。但是你材料把氚都给我留在空洞里了，反应凉了啊！这个问题就是氚自持的问题，是和材料并列的聚变堆三大问题之一。

7. 辐照对析出物的影响

由于辐照过程的特殊性，辐照时材料总的空位和间隙原子浓度都是远远超过饱和浓度的，所以会产生极大的影响。比如正常状况下稳定的ODS相可能会在辐照过程中变得不稳定，如果ODS相不稳定了......那么ODS钢的性能......材料学家们不敢想了

此外就是由于辐照过程这个异常的不平衡态的存在，可能会在材料中形成大量非平衡态析出物，结果就是材料可能因此发生致命的性能退化。比如某些钒合金在辐照后表现出了超过100%的辐照硬化率，这简直就是骇人听闻了（作者见到过超过700%的硬化率，真是......无语）。

8. 总结

我们把上面的问题穿起来：聚变堆用的结构材料必须能对抗100dpa甚至更高的辐照损伤，具有很低的中子活化（意思就是你只能用三分之一个元素周期表），抵抗近500℃的高温，具有极小的D、T、He滞留，要能良好的焊接和制备，不能因为辐照诱导析出物出现大幅度的性能退化......可以预见的未来内其实这些问题都不好解决，更别提一起解决了......这真不是材料学家的锅，实在是BOSS太强推不动啊

这里面很大的问题其实是物理问题，所以要求设计辐照材料的人是一个懂材料的物理学家或者一个懂物理的材料学家......讲真，这样的人不好找，更别提一个队伍了。

9. 实验

除了上面材料设计问题外，实验问题也尤为突出：

现在根本没有14MeV中子的辐射平台，所以只能拿裂变堆去实验......实验过程需要很长时间来积累dpa，然后样品出堆后还要埋起来，不然剂量太高不能操作。实验人员操作中子辐照后的样品还需要考虑自身的安全性，毕竟都是要吃剂量的。

这里还要说一个行业内的梗，在辐照领域中子辐照后的样品称为hot样品，做中子辐照后样品的实验室被称为热室。据说某位长者说（我并没有试过啊），hot样品用手抹起来有热的感觉所以叫hot。对应的，没辐照的就叫cold样品。曾经有一次投稿的时候审稿人要我解释hot和cold什么意思，老板当即表示怼他，这都不知道都敢审中子辐照的稿...哈哈哈

除了中子辐照外，离子辐照和电子辐照是更常用的手段。离子辐照只需要一个离子注入机或者粒子加速器就能进行，相对中子辐照成本低而且没有放射性。问题是高能离子和高能中子的碰撞机理不一样，离子辐照只能穿透1~3μm后的样品，做宏观测试很麻烦，而且很多文献已经表明离子辐照和中子辐照的偏差很大。

电子辐照是利用超高压电镜，用高能电子去轰击材料。好处是实验是原位的，而且可以很方便的改变温度和剂量，所见即所得。问题是电子能量不够高，世界最强高压电镜才3MeV的电子，大部分都是1~1.3Mev。此外，高压电镜太少，国能更是一台能用的都没有，做实验只能出国。

所以，除了材料设计问题外，做实验都是很麻烦的事情。一个博士生整个在读期间都不一定够做一次中子辐照的......电子辐照虽然快点，但是预约是个大麻烦。最便宜的离子辐照，做一次也是按万收费......所以时间和钱都是大问题。

参考

1. ^ ^{a b} 徐玉平, 吕一鸣, 周海山, et al. 核聚变堆包层结构材料研究进展及展望[J]. 材料导报, 2018(1):2897-2906.
2. ^ Chen T , Aydogan E , Gigax J G , et al. Microstructural changes and void swelling of a 12Cr ODS ferritic-martensitic alloy after high-dpa self-ion irradiation[J]. Journal of Nuclear Materials, 2015, 467:42-49.
3. ^ Gao J , Liu Z J , Wan F R . Limited Effect of Twin Boundaries on Radiation Damage[J]. Acta Metallurgica Sinica (English Letters), 2016, 29(1):72-78.
4. ^ Zhang Y F , Zhan Q , Ohnuki S , et al. Radiation-hardening and nano-cluster formation in neutron-irradiated 9Cr 2W low activation steels with different Si contents[J]. Journal of Nuclear Materials, 2019, 517:1-8.
5. ^ Kimura A. Overview of fusion structural materials options: Radiation effects on materials[C]//ICFRM-16. Beijing, 2013

我博士课题的研究对象正好是聚变堆第一壁材料，简单说说我对这个问题的理解吧。

第一壁材料，也就是直接包裹等离子体的那层材料（下图中的钨装甲），它在聚变堆中的服役环境最为恶劣，面临的材料问题也最严峻。

我的研究主要涉及第一壁材料的两个核心问题：高能中子辐照、以及高通量氘(D)氚(T)等离子体轰击。

一、高能中子辐照

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。

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1~10 eV之间。也就是说，一个14.1 MeV的中子所携带的能量，足以破坏上百万个普通的化学键，这无疑会对材料造成难以恢复的损伤。

在聚变堆里，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，从而破坏规整的原子排布：

原子被击跑了，原来的地方自然就留下一个坑（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消失，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了，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的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会变成Re, Os, Hf, Ta）。时间一长，材料的组分会变得和一开始时完全不一样，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在能量还是通量上都要比聚变堆要低很多，因此，裂变堆材料的技术也无法直接移植到聚变堆中。

二、高通量氘(D)氚(T)等离子体轰击

聚变堆对D-T等离子的约束并不完美，反应堆中会有大量的D-T离子轰向第一壁材料。由于T燃料价格十分昂贵（上亿RMB一公斤），在聚变堆中都是通过中子和锂反应来循环利用的：

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，但是中子辐照会产生的孔洞对T的吸引力却非常强，T一旦跑进孔洞中去就很难出来了（详情可参考我最近的这篇论文^[1]）。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，会产生十分高的压强（理论上限大约是30 GPa^[1]），从而挤出氢气泡，使材料进一步开裂，造成严重破坏：

裂变堆中基本上没有D-T问题，这个问题对聚变堆材料来说是全新的，目前我们对该问题的研究尚处于摸索阶段，很多基础的科学现象都还没有得到解释（例如在没有中子辐照的情况下，氢泡依然可以形成），距离研发出商用聚变堆材料还有很长的路要走。

对了，聚变的产物——氦——对材料的影响也很大，不过这一块我不是很熟，就不展开了。做氦泡的同行如果感兴趣可以写一写。

------------干货分割线-------------

聚变堆第一壁材料这个课题我做了大概有5年，感觉这真心是块难啃的骨头。

聚变堆中的服役环境是极端严苛的，这意味着做相应实验的难度也十分大。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（特别是高通量中子源）是十分稀缺的，做一次中子辐照实验不仅耗资巨大，还可能要耗费数年的时间来积累足够的中子损伤。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，往往采用离子辐照来类比（依然很贵啊!!!）。可离子毕竟带电，在材料中的穿透深度很浅，只集中在材料表面几个微米内。而中子往往能穿透整个材料，引入均匀的辐照损伤。因此，离子辐照的结果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，这也是我们正在干的事情。

但这个思路也面临很大的挑战：我们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确的模拟这一过程，我们只能用各种“真空中的球形鸡”来简化模型。如何在计算速度和精度之间平衡，也是一门艺术。

当然，多给我们打点钱建几座超算，这样的暴力美学也是极好的。

参考

1. ^^abHou, Jie, et al. "Predictive model of hydrogen trapping and bubbling in nanovoids in bcc metals." Nature materials 18.8 (2019): 833-839. https://www.nature.com/articles/s41563-019-0422-4

不可以像纸杯烧水那样吗？烧水也是发电，不能将热量传导出去吗？

你点堆火不会放出大量中子把纸杯上的碳氢氧原子变成别的元素；只要不把纸杯直接丢进酒精/煤油里，酒精/煤油本身不会随着火焰自己大量的跑到纸杯上。

而核聚变放中子，壁材料分子组成变了；金属原子的原子序数没变，也会在中子轰击下发生位移，氢等离子体再轰击入材料分子间隙中，壁材料结构毁了。

可控核聚变，在恒星可以靠引力场，不在恒星就总要有磁场来约束以产生足够的温度压力吧。

产生磁场的磁体不能直接与发生核聚变的等离子体接触吧，总要隔开；氢气作为燃料，本身都漏完了也不行。所以壁材料至关重要。

并且，由于涉及纳米材料技术，在可控核聚变研究中，其技术难度上甚至高于等离子体物理的控制技术的部分。所以说是主要难点。

阅读更多：