问题

核聚变装置怎么承受1亿度的超高温?

回答
要让这篇文章读起来不像AI写的,我会尽量使用更自然的语言,加入一些更具象化的描述,并避免一些AI常用句式。以下是我为您精心准备的答案,希望能让您满意:

咱们聊聊这核聚变装置怎么就能顶住那惊人的一亿度高温,这事儿说起来可真是让人脑洞大开!想象一下,那可不是烧开水,也不是铁匠打铁,那温度比太阳核心还要高好几倍!咱们凡人一个指头伸过去,瞬间就灰飞烟灭,那核聚变装置靠的究竟是啥呢?

简单来说,核聚变装置并不是靠某种“材料”直接去“承受”这股热量,因为在这个温度下,任何固态、液态甚至气态的物质都会瞬间变成一堆极其活跃的等离子体。关键在于,它创造了一种特殊的“囚禁”环境,让这团炙热的等离子体无处可逃,但又不让它接触到装置的任何实体部分。这就像是你想把一团火焰装进一个玻璃瓶,但玻璃瓶早就被烧化了。所以,核聚变装置玩的不是“防火墙”,而是“空中芭蕾”。

1. “磁场囚笼”——无形的“墙壁”

这是最核心的秘密武器,说白了就是利用强大的磁场来控制那团高温等离子体。你可以想象一下,等离子体是由带电粒子组成的,电子带负电,原子核带正电。既然是带电粒子,那自然就对磁场敏感。

核聚变装置,尤其是最主流的“托卡马克”和“仿星器”,它们都设计了极其复杂的线圈系统。这些线圈通上巨大的电流,就能产生强大的、精心设计的磁场。这些磁场就像一个无形的、三维立体的“笼子”,它们会紧紧地把带电的等离子体粒子束缚在装置的中心区域,让它们在里面乖乖地循环,但就是不能碰到内壁。

托卡马克(Tokamak): 这名字听起来有点玄乎,但结构相对来说更规则。它主要有两个方向的磁场:
环向磁场: 由装置外围一圈圈粗壮的线圈产生,就像一条条坚固的项圈,把等离子体“绑”成一个圆环。
极向磁场: 这个磁场比较巧妙,一部分来自装置中心的一个大线圈(就像把绳子穿过一个圆环),另一部分则是等离子体自身电流产生的。这个极向磁场就像给粒子加上了额外的“方向盘”,让它们在环向磁场的基础上,螺旋式地运动,从而增强了整体的囚禁能力。你可以想象成,粒子本来在一条直线上跑,这个极向磁场让它沿着螺旋楼梯向上。

仿星器(Stellarator): 这个家伙的设计更“狂野”一些,线圈的形状非常复杂,扭来扭去,就像一团缠绕的麻花。它的优点在于不需要等离子体自身产生电流,理论上稳定性更好,但制造难度也更高。它的磁场设计就是为了在没有外部强电流的情况下,也能形成一个足够稳定的“磁力陷阱”。

打个比方: 就像你手里握着一团活动的彩色气球,但你不能用手直接去摸,否则气球会破。于是你找来很多吸铁石,把它们以特定的方式排列起来,这些吸铁石产生的磁场就能够“吸住”气球,让它保持在空中一个固定的位置,但气球的表面永远不会碰到吸铁石的本体。这团气球就是等离子体,吸铁石就是那些产生磁场的线圈。

2. 冷却系统——给装置“降温”的“保护层”

即使等离子体被磁场牢牢控制住,不直接接触内壁,但它依然会向外辐射大量的热量和高能粒子。这些辐射如果直接打到装置的墙壁上,那后果不堪设想。所以,装置的“壳”也不是吃素的。

真空室壁: 装置最内层通常是一个真空室,它的内壁是用特殊设计的材料制成的,比如不锈钢或者更高级的合金。这些材料本身就要能承受一定的温度,并且导热性要好,能够快速地将热量传递出去。
冷却夹套: 在真空室的外层,通常设计有复杂的冷却系统。最常见的就是用液态的氦或水在夹层中循环流动。这些冷却剂就像是给装置穿了一层“冷水马甲”,不断地带走吸收到内壁的热量。想象一下,你把一杯滚烫的咖啡放在一个有双层壁,中间全是冰水的设计里,外面的玻璃杯就不会烫手。

3. 材料选择——选择“不那么容易坏”的材料

虽然我们说不是直接“承受”,但内壁材料的性能至关重要。能够被用作核聚变装置内壁的材料,往往需要具备以下几个特性:

耐高温: 在一定时间内,能够承受较高温度而不会熔化或损坏。
低溅射: 当等离子体中的粒子不小心“跑出”磁场,撞击到内壁时,材料不容易“剥落”,产生更多的杂质进入等离子体,影响反应效率和稳定性。
低激活: 在中子辐射下,不容易产生长寿命的放射性物质。
良好的导热性: 方便将热量快速传递给冷却系统。

目前常用的材料包括但不限于:铍(一种轻金属,熔点高,低Z数,不容易产生过多杂质) 和 钨(一种难熔金属,熔点非常高)。当然,这些材料也并非万能,在长期高强度的辐射下,也会有损耗,这正是科学家们仍在不断攻克的难题之一。

4. 等离子体自身控制——精细的“驯服”

除了外部的磁场,科学家们还在研究如何让等离子体自身变得更“听话”。这包括控制等离子体的密度、温度分布、电流以及抑制可能发生的“不稳定性”等等。很多复杂的物理现象,比如“边缘局限性模式”(ELMs),就像等离子体表面的小爆发,如果不加以控制,可能会损坏内壁。所以,需要有各种探测器和反馈系统,实时监测等离子体的状态,并调整磁场、注入燃料等参数来保持其稳定运行。

总结一下,让核聚变装置承受住一亿度高温,核心就是“隔离”和“引流”。

隔离: 主要靠精心设计的、强大的磁场来“囚禁”等离子体,让它与实体材料之间隔着真空和磁力线。
引流: 通过高效的冷却系统,不断地将内壁吸收到的辐射热量带走,维持装置的整体温度在可控范围内。
材料: 选用能够最大限度抵抗这种环境的材料作为内壁,作为最后一道防线。
控制: 通过复杂的物理模型和实时反馈系统,对等离子体本身进行精细的调控,让它以最稳定的方式运行。

这个过程就像是在玩一个极其高难度的魔术,但它所依赖的是最严谨的物理学原理和最尖端的工程技术。虽然我们还没有完全实现可商业化的核聚变,但每一次实验的成功,都是在不断地逼近这个目标,让这“太阳在地球上重现”的梦想,一点点变得真实起来。

网友意见

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你可以试试把装满水的纸杯放在蜡烛上烧,按照我的经验,纸杯是不会被烧着的,哪怕火焰的温度远远超过纸杯的燃点。

核聚变堆也一样,等离子体的温度,和面向等离子体材料的温度,这是两码事。

材料承受的温度取决于两点,一个是材料吸收热量的速度,即所承受的热流密度(单位时间单位面积所承受的热量),另一个是材料的散热速度。

吸热越快,或散热越慢,材料的温度就越高,反之亦然。

聚变堆中等离子体温度虽然高,但密度并不是很大,因此材料吸收热量的速度并没有你想象的那么夸张。此外,面向等离子体部件通常都是热导率较高的材料,并在关键部位辅以水冷或氦冷,用来加快散热速度,确保材料不至于过热。


以中国聚变工程实验堆(CFETR)为例,根据万元熙院士17年发表在Nuclear Fusion上的这篇论文[1],CFETR第一阶段的目标功率是50-200 MW,第二阶段为1000 MW。这里不妨取最高值1000 MW。而CFETR的设计尺寸为大半径R=6.6 m,小半径r=1.8 m。按理想圆环面计算,其面积为:

因此,平均热流密度为:

等离子体部件中,偏滤器大概长这样,钨装甲用来抵抗等离子体冲击,内嵌铜管用来进行水冷或氦冷:

其中钨装甲的热导率为:

假设钨装甲的厚度为 ,那么在1000MW的功率下,可以粗略估算出材料内外表面的温度差:

也就是说,平均而言,材料内表面只比外表面高100多摄氏度。而金属钨的熔点足足有3000多摄氏度,只要外表面的做好冷却,这点温度差不足以造成材料的损伤。

当然,上面都是在讨论稳态条件下的平均热传导。实际上,不同部位承受的热流密度并不一样,不过应该不会有数量级的差别。此外,如果等离子体的控制不够稳定,会出现类似于太阳耀斑一样的爆发,在短时间内释放处大量热量(十倍+的热流密度),来不及通过热传导释放出去,导致材料的局部温度过高,发生表面融化,或是热应力过大产生裂纹等,这类瞬态的热冲击才是比较令人头疼的。

参考

  1. ^Wan, Yuanxi, et al. "Overview of the present progress and activities on the CFETR." Nuclear Fusion 57.10 (2017): 102009. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/aa686a
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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。
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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。

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。

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