科幻小说中的磁约束是否能满足可控核聚变的材料？ 第1页

磁约束不是啥科幻技术，聚变研究的主流就是磁约束聚变。不过假如磁约束技术得到足够的提升，那确实能降低等离子体-材料相互作用。从这个角度看，的确可以降低对聚变材料的（部分）要求。

举一个现有的例子吧，目前多数聚变堆都开始用钨等重元素做第一壁材料，但早期的第一壁往往用的是铍、碳等较轻的元素。

钨基第一壁有很多优点，但想用它做第一壁，前提之一就是具有足够先进的磁约束技术。

这是因为等离子体在和第一壁材料接触的过程中，会通过碰撞将材料表面的原子溅射出来，从而污染等离子体。

而等离子体对此类污染的容忍程度取决于第一壁材料的原子序数。原子序数越高，通过热辐射耗散能量的速度就越块，这使得重元素对应的容忍程度非常低，比轻元素要小好几个量级。

早期的磁约束技术有限，等离子体边缘的温度较高、动能较大、产生溅射的能力较强。那时若是用钨基材料做第一壁的话，离子溅射产额就会超标。因此早期的堆中往往只能用铍、碳这类轻元素材料。

后来随着磁约束技术的发展，等离子体边缘的温度基本上能控制在几十个eV。这个温度已经低于钨材料的临界溅射温度之下了。溅射产额大幅度降低，这才使得性能优异的钨基第一壁材料具备了应用的前提^[1]。

除此之外，更先进的磁约束技术也能有效降低材料的氚滞留。

要知道氚是聚变的主要燃料之一，但这玩意儿半衰期贼短，不仅天然储备一点都没有，人工制备还极为困难。所以聚变堆中的氚其实是以类似催化剂的身份存在，不断消耗又不断的产出，通过循环利用实现氚自持。

当然，氚的利用率不可能达到100%，必然有浪费的地方，所以产出肯定要比消耗多一些，留出冗余。但这个冗余是非常有限的，不能损耗太多。

这时你要是把一大堆氚都轰到第一壁材料里边去了，那么自然会有一部分氚滞留在材料中出不来。如果滞留量超过冗余量，那么氚就会越用越少，最后整个堆就直接熄火了。

如果能有更先进的磁约束技术，降低边缘等离子体温度和密度，也能降低氚离子渗入第一壁中的数量^[2]，从而降低对材料的氚滞留要求。

不过磁约束只能约束带电离子，不带电的中子是管不了的。所以中子辐照对材料的损伤并不会随着磁约束技术的提升而降低。

目前我们对聚变中子带来的材料辐照损伤理解还十分有限，因为聚变中子的能量十分巨大（14.06 MeV），剂量预计也很高（~100 dpa），基本上要比裂变堆的相应数值高一两个量级。

换句话说，我们在裂变堆中积累的材料辐照知识，大概率不能直接应用到聚变堆中。所以在中子辐照这块，还需要投入更多的研究（疯狂暗示给我们多拨点经费）。

当然，如果磁约束技术能强到可以进行氘-氘聚变（主反应中子能量只有2.45 MeV），甚至于是氘-氦3聚变（主反应不产生中子），那么中子辐照的问题确实能得到很大程度的缓解。

参考

1. ^丁孝禹, 李浩, 罗来马, 黄丽枚, 罗广南, 昝祥, 朱晓勇, and 吴玉程. "国际热核试验堆第一壁材料的研究进展. (2013) http://www.mat-test.com/ViewFull0.htm?aid=OJ150319002605sZv2y5
2. ^Hou, J., Kong, X.S., Sun, J., You, Y.W., Wu, X., Liu, C.S. and Song, J., 2018. Hydrogen bubble nucleation by self-clustering: density functional theory and statistical model studies using tungsten as a model system. Nuclear Fusion, 58(9), p.096021. https://doi.org/10.1088/1741-4326/aacdb6

磁约束是现实存在的，数十年来应用于各国的实验性托卡马克、球状托卡马克、仿星器等可控核聚变反应堆。

科幻小说谈磁约束，多半是照现实中的可控核聚变反应堆写的——当然，有些 ppt 上吹的东西本来就是科幻。

现实中，输出低于输入（聚变能增益系数 Q 值小于 1）的可控核聚变在五十年前就实现了，那不能作为能源。日本的 JT-60A 理论上氘氚聚变 Q 值可以达到 1.25，但没有实际使用过氚。ITER 计划在 2035 年之后实现 Q=10 来证明可控核聚变有商用发电的价值。实现 Q 值 30 以上，才可以期待在国家补贴的加持下跟现存发电手段竞争电价，那很难与还在降低成本的太阳能、风能抗衡。可控核聚变是未来新能源的方向之一，而不是“唯一的方向”。

为了“满足”向外发电的聚变反应堆，磁场本身不是重点。“宛如科幻的强磁场”可以更好地控制聚变等离子体，但氘氚聚变产生的中子辐射对第一壁的影响仍然存在。

惯性约束之类手段不需要磁场。