有哪些能实现可控核聚变的材料？ 第1页

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。

@小侯飞氘 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？ @小侯飞氘 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）

1. 低温（<0.3Tm)：材料失去延展性，失去strain hardening
2. 中温（0.2 - 0.55Tm)：肿胀（void swelling），相不稳定（phase instability），辐照加速的材料蠕变（irradiation-assisted creep）。
3. 高温（>0.5Tm)：氦气辅助下的材料脆化（He embrittlement)。氦（He）是DT聚变产生的高能中子，和结构材料嬗变反应产生的。相比裂变堆，聚变堆产生的中子嬗变反应截面更高，产生更多He，因此He embrittlement的问题对于聚变堆更为关键。

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

答曰高温超导材料。这个答案比较勉强，和最高票列举的第一壁材料一样，并不是限制可控核聚变的硬坎，只是如果有更好的材料就更容易实现核聚变（以下所说都是磁约束核聚变）。

为了给聚变堆提供强而稳定的磁场，堆外布置了很多个线圈，就是舱外的小矩形啦，它们通电流来形成磁场

为了调整里面高温带电粒子群的位置和形状，这些磁场是需要人为控制调整的，所以不能用磁铁。

问题来了，当反应堆运行的时候，这些线圈里有很大的电流，发热严重，时间长了必然会烧啊，那么解决办法就是用超导体了。所以现在高端的聚变堆都是需要用超导体提供磁场。接下来的问题又出来了，现在的超导材料都需要极低的温度，可聚变堆里温度接近1亿度，冰火两重天啊，线圈表示我也很痛苦。可毕竟是做出来了，只不过冷却、维护和超高费用成了很大的问题。目前也就ITER这个国际合作项目才敢有超巨大的手笔做出超大的堆体。

这就是ITER啦，下面有个人，对比下大小吧

如果有高温超导材料，这个工程难度将降低很多很多，造价也便宜很多，那时候随便造上几十个实验堆，那这个聚变堆的研究速度就上天啦

其实现在主要限制可控核聚变进入商业发电的主要原因是出于物理和工程问题。

高温等离子体在快速运转时，任何小的干扰都可能会因为蝴蝶效应瞬间变大，轻则导致内部温度降低，重则直接让等离子体破裂，高能粒子直接轰击在材料上损坏堆体。这些不稳定性还在逐渐研究中，并且还需要找到处理每种不稳定性的方法，不然不可能实现长时间稳定的聚变反应

工程上也问题多多，从线圈的制造，舱体的制造，材料加工，散热等等，都在寻找更优化的设计方案。可是如果高温超导材料攻克，造价降低，那工程试验的进展将快到飞起，实现聚变发电也将快很多

意淫就是爽啊