本来只是想简单说两句的,但这问题实在是撞我博士课题的枪口上了,所以还是忍不住写了一大堆,干脆做个系统的介绍吧。
Hydrogen retention的中文名叫氢滞留,是可控核聚变研究的核心问题之一。
氢滞留是指聚变堆中的氢同位素(主要是氚)在跟材料接触后,滞留在材料内部,导致难以回收的一种现象。
由于氚在聚变堆中需要不断回收并循环利用,滞留在材料内部会带来额外的氚损耗,从而打破氚回收循环,导致聚变堆无法持续运行。
氢主要有三种同位素,氕、氘、氚:
而在聚变堆里,大家关注的,主要是氚的滞留。这是因为在目前阶段,可控核聚变的研究,主要还是集中在氘-氚聚变上:
毕竟相比于其他聚变反应(例如氘-氘聚变),氘-氚聚变的实现的难度最低——咱这御氘术等级不高,只能挑个软柿子捏了。
其中氘可以容易的从海水中提取,来源广泛价格低廉。但不幸的是,氚是短半衰期核素,基本上没有天然氚。所以聚变堆的一个问题就是:氚从哪儿来?
简单来说就是四个字,开源节流。
开源不难理解,就是想办法生产氚呗。
记得上面的氘氚聚变公式么?每一个氘氚反应,都会生成一颗中子(n),这颗中子可以跟锂(Li)反应,用来产生氚:
所以每消耗一个氚,就产生一颗中子。然后这颗中子又跟锂结合,从而把氚给吐回来。看到这里,你是不是就以为氚太少的问题被完美解决了?
当然不是!上面的公式虽然很完美,但在现实世界中,你肯定没法做到把每个中子都用来产氚。因此通过上述方式,氚产出/消耗的比例(简称氚增殖率)妥妥的小于1。所以氚依然处于越用越少的状态。
想要产生更多的氚,就需要更多的中子。所以,我们可以先让中子跟铍(Be)之类的元素反应,消耗一个中子生成两个中子,从而把中子数量倍增[1]:
聚变产生一颗中子,先拿去倍增,再跟锂反应产氚,这样就能把氚增值率提上去了。但注意上面的中子倍增反应是需要吸收能量的,中子不能无限的倍增,所以氚增殖的比例依然很有限。
中国工程聚变实验堆(CFETR)的氚增殖率设计值大约是1.2[2],平均而言,消耗一个氚,仅仅能够生成1.2个新的氚。
这个比例并不算高。
既然开源的效果有限,那么我们就要节流,尽可能降低氚的损耗,
欧洲联合环状反应堆(JET)在上世纪进行了不少氚回收实验,研究人员在往JET中注入氚燃料后,发现滞留在反应堆内部的氚最高可达30%左右[3]。
这一数字显然极不利于维持氚循环,因此需要尽可能的降低聚变堆里的氚滞留。
在聚变堆中,我们会用强磁场约来约束控制上亿度的氘氚等离子体。但这个约束并非完美,边界处的等离子体依然会跟材料发生接触,使得氘和氚不断的进入材料内部。
为了降低氚滞留,很多聚变堆的第一壁材料(跟等离子体接触的材料)用的都是金属钨(W)或钨合金。因为在所有的金属中,钨跟氢的化学亲和力是最低的。正常情况下,钨中氢同位素的溶解度极低,氚在钨中的滞留自然也很少。
按照经验,出题人在写下“正常情况下”这几个字时,那么重点往往就在不正常的情况了。没错,你看上面的图中,钨基第一壁除了跟要氘氚等离子接触外,还要承受高能聚变中子的辐照——这显然不是正常的材料服役工况啊。
一颗聚变中子携带着14.1 Mev的能量,是材料中化学键键能的几百万倍。中子就跟炮弹一样打在材料上,这还不得把材料打的千疮百孔[4]?
正常情况下钨对氢的亲和力很低,但架不住这些孔洞对氢的亲和力高呀。氢在进入到钨中后,有很大概率会遇到这些孔洞,钻进去就很难跑出来了,使的滞留量大增[5]。
你以为这就完了?很多研究人员发现,就算没有中子轰击产生孔洞,只要材料接触足够高通量的氢等离子体,氢自个儿就能挤出孔洞和气泡来。极端情况下,这些气泡内的高压甚至能把材料表面挤破:
以上这些因素都很有会增加聚变堆内的氚滞留,对聚变堆的正常运行产生很大影响,因此近年来学界也对氚滞留的相关问题比较关注。