核聚变装置怎么承受1亿度的超高温？ 第1页

我在核工业西南物理研究院聚变科学所的PWI课题组工作，PWI就是等离子体与器壁相互作用，欢迎大家一起讨论。

首先说，对于未来聚变堆，已目前技术手段来说，热负荷问题是个开放问题，即还没有被解决。下面说明和强调几点。

1. 未来托卡马克聚变装置，芯部等离子体温度大约是20keV，2亿度了，因为在这个温度下氘氚聚变反应速率非常高。但是密度从芯部到第一壁是降低的，这是约束的问题。加热的时候主要加热芯部，所以热源在芯部，通过扩散方程很容易得到大致温度剖面。偏滤器处等离子体在脱靶情况下温度大约是20eV，也就是比芯部降低了三个数量级。
2. 不是所有热量均匀打到第一壁，现在托卡马克装置专门用来处理热流的部件是偏滤器，偏滤器面积要小于第一壁面积的十分之一，但是总热流的大约二分之一都要打到偏滤器（数据是大致估算。。。）。所以偏滤器的热流密度要比第一壁的高很多。ITER偏滤器热流参考值是稳态10MW/m2，瞬态20MW/m2，这个应该也是目前材料的极限了。
3. ELM（边缘局域模）问题，上面说的20MW/m2主要说的就是ELM情况，边缘不稳定造成的，周期性的，大量热和粒子排出的现象。ELM根据幅度和频率分不同类型，频率大和频率低的第一类ELM危害最大，现在模拟和理论估算，如果存在第一类ELM的话，ITER的偏滤器是受不了的，所以还需要继续研究。可能的途径是，寻找无ELM的H模或者类似EAST的grassy ELM（幅度很小，频率高）等其他运行模式。
4. 密度问题，有答主已经说了，托卡马克中的等离子体密度要比大气密度低好几个数量级，哪怕ITER CFETR也是，所以热效应自然要比大家想象的低。密度分布的话，芯部密度高，越向外越低，但是由于脱靶问题，密度会在偏滤器区域增加不少。从芯部到偏滤器区域总体趋势的话，密度先降低再增加。
5. 高能粒子问题。首先，背景的氘氚离子在稳态运行的过程中（不考虑大ELM和破裂等），打到器壁的时候温度大约在几十eV，不应该作为高能粒子考虑。不过NBI加热会产生高能的氘氚，但这个主要为了加热芯部等离子体，所以应该不会大量跑出去，不然就不能加热了。。。我觉得高能粒子主要是氘氚聚变的两个产物，中子和alpha粒子（即氦核）。中子不与等离子体相互作用，直接打到第一壁，而且能量比alhpa高，所以中子问题应该是第一壁材料的首要问题，现在研究高能氘氚是不是模拟中子影响呢？alhpa粒子的话，很多能量会用来加热背景等离子体，即自加热问题，这是未来聚变堆稳态长时间运行的关键。但是，由于alhpa粒子能量高，回旋半径大，会有一定比例损失到第一壁（主要是第一回旋轨道的损失），这部分高能alpha粒子的通量貌似也不小，大连理工大学的一个师兄在模拟研究这个问题，以后应该能模拟给出具体的比例和通量。
6. 约束问题。现在约束、输运、湍流、平衡、不稳定性等的研究都是基于现有非氘氚聚变等离子体，未来聚变堆这些问题会不会有很大差别？会不会出现新的物理？不太好说。现在王晓钢老师带领大家做聚变堆集成建模，主要是第一壁以内，我参与PWI部分，要考虑氘氚聚变的影响。如果约束变了，热通量也会变。
7. ITER和CFETR，我觉得聚变堆能否顺利实现， 主要还是看ITER和CFETR这种能够进行氘氚聚变反应的装置，尤其CFETR。因为ITER不具备完整的包层，只有测试包层。包层是用来增值氚的部件，这个问题对聚变堆是重点的重点，没有氚一起都白扯。。。
8. 总之，希望和挑战并存，还是需要大量人才来投身聚变事业的。

题目中光说了一亿度，没有提热功率，那我也就不提热功率了。

（反正其他优秀答主已经把我能说的都说了。 @小侯飞氘 ）

（反正不能说的也还是不能说。）

（反正我也不知道什么不能说的。）

其实能量高到1亿度光考虑热效应是不够的，那可是13KeV的粒子呐，甚至可以引发核聚变的能量呐。

这些粒子撞上别的物质不光要考虑热力学效应，还要考虑动力学效应的，烧糊之前就可能被射爆这样。

就好像拿东西砸皮鼓，能量小的时候，皮鼓只是震动，只是响；但当能量很大的时候，皮鼓就破了，变成了damaged皮鼓。

当然，日常生活中的物质，都有一定的自修复能力，少数13KeV粒子，人的肉身都能承受。

变电站高压在10KV，产生一些10KeV的离子也没啥难度，我们学校就有一个，日常聚集一群鹅。

嘛，核聚变装置中运转的大部分是氘，13KeV的氘撞击到聚变装置内壳的钨，每一个13KeV的撞击事件大概只有600eV左右的能量会传给钨原子。

查表知↑，每个600eV Cascade Energy的撞击事件只能造成1.51个原子移出原本的位置，这个能量dose rate是很低的。查表知↓，要使钨块产生可测量的力学性能改变，辐照剂量至少要达到0.004 dpa。

对于表面积1平米，厚5厘米的钨块，被13KeV的氘原子轰击，达到0.004的dpa需要约14 mol的辐照量，也就是8.4 x 10^24 次轰击事件。（5厘米是比较常见的钨墙厚度，放到EAST里可能能被烧蚀50年。DEMO号称一年就能烧掉几十厘米厚的钨↓，也不知道是不是磁铁不太行。）

换句话讲，1立方米的钨块，大致需要被1亿度的氘撞击280mol次，才会产生可观测的力学性能变化。

小声bb：其实已经有大佬表示dpa这个数值会高估辐照对材料的损伤，并严重低估材料中的发生位移的原子数，毕竟是做实验的那帮人发明出来的玄学东西，缺乏物理意义也是很正常的。

当然，10^25，这个数字看起来很大，实际上放在聚变装置里面（比如说ITER），也就是10秒钟的离子辐照量。

现在聚变装置设计的更换剂量大概是1~5dpa，也就是运行2500秒到12500秒就需要更换了。

（目前的聚变装置貌似每做若干次启动实验就要把内壁磨一次吧？我瞎猜的，村里人没近距离实地看过。）

嘛，离子辐照其实在聚变装置里只能算作“背景辐照”，真正高能的其实是中子辐照，大家都知道氘氚聚变会产生14.1MeV的中子，这可比1亿度的等离子体高能1000倍呐，氘氘聚变也能产生2~3MeV的粒子。

喜闻乐见看图说话，中子能量大概0.1MeV~10MeV（10亿度到1000亿度），在钨墙里会产生的Cascade Energy大约在10KeV~1MeV的量级。

本人刚好最近做了一些1KeV和10KeV能量的轰击模拟实验，刚好基底是钨。

基本上模拟的是1000万度和1亿度的钨原子轰击靶材。

以下内容尚未发表，随便聊聊。

碰撞级联（Collision Cascade）这个东西吧，其实很神奇，最神奇的地方在于不断对材料辐照，不断产生碰撞级联的话，当后一个级联与前一个的位置重合，后一个所产生的点缺陷数目会减少。

在有表面存在的情况下，1KeV self-atom irradiation：

对于1KeV的Cascade Energy（其实我们一般讲PKA Energy），能够产生的点缺陷密度上限是每立方纳米2个。9.52 x 10^14 的总通量只产生了0.032的dpa，或者说400次1KeV的轰击只积累了80对点缺陷，而按照之前的预测应该有880对点缺陷，重叠效应将损伤“降低”了91%。

当然，严格来说并不是降低了那么多，不过材料内部确实只存在80个空位（和10个间隙原子）。

现在，我们将能量提高10倍，故事会变得不太一样，比方说产生位错环。

但又差不多，位错环会吸收附近发生的级联的能量，降低级联产生点缺陷的速率。

所以，钨之所以能够不被一亿度的粒子搞太惨部分也是因为“自限”效应。

碰撞级联产生的缺陷反过来会降低后续的碰撞级联产生缺陷的效率。

可以呀小老弟。

保证tungsten恒温，结构方面的损伤似乎不会比想象的糟。

至于导热方案我见过的有：

讲道理哦，这些玩意光是看上去就觉得钨-铜界面才是结构上最可能出问题的。