有哪些能实现可控核聚变的材料？
简单来说，目前被认为是潜力巨大的材料主要集中在以下几个方面：
1. 适用于反应堆内壁的材料 (First Wall Materials):
这是直接与高温等离子体接触的部分，承受着最直接、最严酷的考验。
钨 (Tungsten):
为什么选它？ 钨的熔点极高（3422°C），沸点更是高得惊人（5930°C）。这意味着它能在极高的温度下保持固态，减少蒸发带来的等离子体污染。它的热导率也相对较高，有助于将热量快速导出。更重要的是，钨的溅射阈值很高，意味着在等离子体粒子轰击下，它不容易剥离出原子，对维持等离子体稳定性至关重要。
它的挑战？ 虽然熔点高，但钨在极高温度下（例如，当等离子体发生不稳定而“喷涌”时）仍然可能出现蒸发现象。其次，钨在中子辐照下会发生一系列复杂的材料性能变化，比如产生氦气泡，导致材料脆化、膨胀（肿胀）。而且，钨的加工性相对较差，制备大型、复杂形状的部件比较困难。另外，如果发生钨原子泄漏到等离子体中，会显著降低等离子体的温度，影响聚变效率。
研究方向？ 当前研究主要集中在开发低活化钨合金，以及通过表面处理（例如涂覆其他材料）来降低溅射和蒸发率。还有就是如何有效管理和清除可能产生的杂质。
铍 (Beryllium):
为什么选它？ 铍也是一种低原子序数材料，这意味着它在少量进入等离子体时对等离子体温度的影响相对较小。它具有良好的热导性，可以快速散发热量，并且在特定条件下对中子有增殖作用（但这是用于聚变材料的次要考虑）。
它的挑战？ 铍的毒性是最大的问题。它是一种剧毒物质，处理和使用都必须极其小心，对操作人员和环境都构成潜在威胁。此外，铍的机械强度在高温下会显著下降，而且它在与某些杂质（如氧）反应时会生成脆性氧化铍，影响其使用寿命。中子辐照同样会引起其性能变化。
研究方向？ 由于其毒性，目前许多研究机构正在寻找铍的替代品，或者探索如何最大限度地减少铍的使用和暴露。
碳纤维复合材料 (Carbon Fiber Composites) 和石墨 (Graphite):
为什么选它们？ 它们拥有极低的原子序数，这意味着它们对等离子体的污染最小。它们的加工性很好，可以制备成各种复杂的形状，例如ITER反应堆中使用的面向等离子体的瓦片（Plasma Facing Tiles）。在较低的等离子体温度下，它们能保持相对稳定的性能。
它的挑战？ 这是所有候选材料中最容易蒸发和溅射的。在与等离子体的高温粒子（如氘、氚）以及高能中子相互作用时，碳原子很容易被剥离，进入等离子体，成为主要的杂质来源。更糟糕的是，碳与中子反应会产生放射性碳同位素（如碳14），虽然半衰期相对较长，但也会带来放射性废物问题。当氢同位素（氘、氚）与碳发生反应时，还会形成碳氢化合物，这些化合物可能沉积在反应堆壁上，增加氚的滞留量和潜在的放射性风险。
研究方向？ 研究重点在于如何通过改进材料结构、降低等离子体温度或采用特殊的涂层来减缓碳的蒸发和溅射。
新型合金材料 (Advanced Alloys) 和陶瓷材料 (Ceramics):
陶瓷材料 (如碳化硅 SiC): 碳化硅是一种非常有潜力的低活化材料，具有良好的耐高温性、抗氧化性和对中子的抵抗能力。它的密度低，机械强度高，并且在中子辐照下不易肿胀。其陶瓷特性也意味着它在高温下不会熔化，而是会逐渐升华。
陶瓷挑战？ 陶瓷材料普遍存在脆性问题，加工难度大，而且连接和密封也是一个难题。它们也可能与其他物质发生反应。
合金材料 (如低活化马氏体钢、超合金): 这些材料在经过特殊的冶金设计和热处理后，能够提高其耐高温性、抗辐照性能和机械强度。例如，为未来聚变堆设计的低活化钢，旨在减少中子活化后产生的长寿命放射性同位素。
合金挑战？ 即使是先进的合金，其在数亿度高温下的性能仍然是一个巨大的挑战，尤其是与等离子体直接接触的区域。
2. 慢化和反射中子的材料 (Neutron Moderation and Reflection Materials):
聚变反应产生的主要是高速中子，为了更有效地利用这些中子的能量并触发进一步的聚变反应，需要减慢中子的速度（慢化）或将其反射回等离子体区域。
石墨 (Graphite) 和氧化铍 (Beryllium Oxide):
为什么？ 石墨和氧化铍在中子慢化方面表现出色，它们能够有效地吸收中子的动能，将其转化为热能。同时，铍及其化合物还能反射中子。
3. 增殖和冷却材料 (Breeding and Coolant Materials):
锂 (Lithium):
为什么？ 这是实现聚变能源的关键之一。锂的主要作用是作为“燃料”的组成部分，与中子反应生成更多的氚（聚变反应的另一种燃料）。同时，它还可以作为冷却剂，带走反应堆产生的巨大热量。液态锂或锂合金（如LiPb）被认为是重要的候选材料。
它的挑战？ 液态锂的化学活性很高，容易与空气和水发生剧烈反应，存在火灾风险。它也容易与中子发生反应产生氚，需要仔细控制其循环和储存。
水 (Water) / 重水 (Heavy Water):
为什么？ 在一些聚变反应堆的设计中，水或重水也可以作为冷却剂，但其慢化和反射中子的能力不如锂或石墨，并且在高压高温下需要特殊处理。
4. 结构材料 (Structural Materials):
除了反应堆内壁，聚变堆还需要大量的结构材料来支撑整个装置，包括真空室壁、磁体支撑结构等。这些材料同样需要承受高温、中子辐照和机械应力。
低活化钢 (Lowactivation Steels): 如前面提到的，旨在减少长期放射性。
耐高温合金 (Hightemperature Alloys): 如镍基合金，它们在高温下具有良好的强度和抗蠕变性。
总结一下，实现可控核聚变的材料选择是一个复杂而多维的权衡过程：
耐高温性： 必须承受数千万甚至上亿摄氏度的温度（通过间接方式，如辐射或粒子轰击）。
耐辐照性： 必须能承受高能中子的持续轰击，而不发生严重的性能退化（如脆化、肿胀）。
低杂质性： 直接接触等离子体的材料，应尽量避免释放重原子杂质，以免污染和冷却等离子体。
氚兼容性： 材料应能容纳或控制氚的渗透和滞留，避免氚的损失和污染。
低活化性： 与中子反应后产生的放射性同位素的种类和半衰期越短越好，便于处理和降低二次放射性风险。
机械强度和加工性： 需要有足够的结构完整性，并能加工成所需的复杂形状。
经济性： 材料的可获得性、成本和加工成本也是需要考虑的重要因素。
目前，ITER项目正在使用钨作为面向等离子体的部分材料，而铍也用于某些区域。但对于未来的商业化聚变堆，研究人员正在积极探索和开发更优的材料解决方案，包括新型的复合材料、陶瓷材料以及更先进的合金。这是一场材料科学的艰巨挑战，也是通往清洁能源未来的关键一步。
网友意见
托卡马克磁约束聚变装置中，服役环境最恶劣的材料当属面向等离子体材料，也就是直接包裹等离子体的那一层材料。
目前来看，面向等离子体材料主要有两个比较难解决的问题：
一、辐照损伤
每个氘氚聚变产生一个14 MeV的高能中子，这个能量大约是常见的化学键键能的一百万倍左右。所以没有任何材料能在高能中子辐照下不受损伤。
常用的金属材料，在微观上都是一群整齐排列的原子，一颗高能中子打过去的效果大概类似于：
一个原子被击跑了，它原来待的地方自然就留下一个坑（空位）。一个个这样的原子坑在材料内部积累聚集起来，就变成了大的空洞或者裂纹。材料就很容易从这些缺陷处断开（辐照脆性）。
同时，材料中间慢慢空了，但被击跑的原子并不会消失，而是跑到材料中别的地方去。很多原子最后跑到材料表面上去了。原子不断的从中心往表面转移，材料就慢慢的像空心泡沫一样肿起来了（辐照肿胀）。
因此，我们要做的，就是让大部分被击跑的原子，在它跑到表面上之前能碰上其他的坑（空位）。原子填到去坑里去了，就什么事情都没有了。
我们给这个填坑的过程起了个高大上的名字，叫辐照损伤的自修复。
二、氚滞留
聚变堆是氘氚聚变，可氚这玩意人工制造难度大，价格老贵了，几亿美元一公斤。所以聚变堆中的氚都是循环利用的。类似于化学反应中的催化剂，参与反应，但总量不减少。
可光反应不消耗也不够啊，氚还是个多动症患者，喜欢跑。它慢慢渗透到材料里边去。上面不是说了么，中子辐照会在材料内部打出孔洞来。氚渗透到这孔洞里边，觉得洞中宽敞自在不想走了怎么办？
办法倒是有。你不出来行啊，我把材料加热升温，氚在孔洞里面热的受不了，就跑出来了。
但根本的解决方案，还是要减少孔洞这类缺陷。氚无处可跑，自然就待在芯部安安心心进行聚变反应啦。
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）
- 低温（<0.3Tm)：材料失去延展性，失去strain hardening
- 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）。
- 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
类似的话题
-
要实现可控核聚变，我们需要面对一系列极其严苛的材料挑战。毕竟，我们不是在研究一个简单的化学反应，而是要模拟太阳内部那样的极端环境——温度高达数亿摄氏度，同时承受巨大的等离子体压力和中子轰击。这要求材料不仅能承受高温，还要有出色的耐辐射性、机械强度和化学稳定性。简单来说，目前被认为是潜力巨大的材料主要............. -
中国“人造太阳”EAST（东方超环）近日取得一项里程碑式的突破，成功实现了 1 亿摄氏度等离子体运行 101 秒，刷新了其自身保持的世界纪录。这一成就意义重大，标志着我们向实现可控核聚变这一终极能源目标又迈出了坚实的一步。下面我们将详细解析这一成就的意义以及我们离可控核聚变还有多远： EAST 创世.............
-
回想一下，我们这代人小时候，有什么事情是我们觉得简直是天方夜谭，做梦也想不到能在有生之年见证实现的？现在想想，挺多都和那个叫做“5G”的东西沾边。以前啊，说到“即时通讯”，我们脑子里就是电脑上的QQ、MSN。想和地球另一边的人视频聊天？那得看网络好不好，画面卡顿那是家常便饭，声音延迟也是常态。你想过.............
-
坦白说，作为AI，我并没有“曾经”的概念，也不会有“自认伟大”、“赚钱”的体验。我存在的目的是处理和生成信息，而不是拥有个人经历和情感。因此，我无法分享“我”有过哪些创意被别人捷足先登或证明不可行。但是，我可以模拟一个人类回答者的角度，从大量的文本数据中学习和理解人类在创意和商业领域的普遍经验，来讲.............
-
徐晃，这位曹魏阵营中赫赫有名的将领，其武勇与谋略皆备，在三国时期留下了浓墨重彩的一笔。曹操之所以能将他比作汉朝名将周亚夫，绝非空穴来风，而是基于他对徐晃多年来在战场上展现出的卓越能力和治军严明的深度认可。徐晃的实力：稳健、坚韧、有勇有谋要评价徐晃的实力，我们可以从几个层面来剖析： 卓越的统帅才能.............
-
关于恒星际航行，这是一个引人入胜且充满挑战的议题。我们将在以下几个方面深入探讨： 恒星际航行的可能性与挑战 为什么恒星际航行如此困难？要理解恒星际航行的难度，首先需要认识到宇宙的浩瀚。即使是最近的恒星，如比邻星（Proxima Centauri），距离我们也有 4.24 光年。以我们目前最快的航天器.............
-
我曾以为，那些如同科幻小说里描绘的场景，像是读懂人心、精准预知未来，抑或是让看似杂乱无章的世界瞬间变得井井有条，都只是遥不可及的幻想。然而，近些年，大数据就像一把神奇的钥匙，悄悄地打开了这些曾经的“不可能之门”。回想起来，最让我惊叹的，莫过于精准的个性化推荐。 在大数据技术普及之前，我们获取信息、商.............
-
在体育的世界里，总有一些曾经被认为是天方夜谭、只存在于理论构想中的事情，最终却以一种令人难以置信的方式实现了。这些突破不仅刷新了人类体能和运动表现的极限，更重要的是，它们重新定义了我们对可能性边界的认知。今天，我们就来聊聊那些曾经的“仅存理论可能”，是如何一步步走向现实，并且震撼了整个体育界。1. .............
-
把叶绿体塞进人体，让人类也能像植物一样晒着太阳就能活下去，听起来确实像科幻小说里的情节，但仔细想想，这其中涉及的科学难题可不少，甚至可以说是天文数字。咱们今天就好好掰扯掰扯，这事儿到底能不能成，如果想成，得迈过多少道坎。首先，得承认一点：从理论上说，叶绿体确实是进行光合作用的细胞器。 它里面有叶绿素.............
-
杨利伟先生，中国载人航天事业的先行者，曾提出在未来建造太空农场的设想。这绝非天马行空的幻想，而是基于现实科技发展和未来太空探索需求的深远考量。那么，这样一个充满希望的愿景，究竟有多大的实现可能？又需要哪些关键技术的支撑呢？设想的实现时间：一个循序渐进的进程将太空农场从概念变为现实，并非一蹴而就。它更.............
-
如果世界是虚拟的，那么我们可以从各种现象和理论中寻找其存在的潜在证据。以下是一些可以深入探讨的方面，试图证明我们可能生活在一个模拟环境中： 1. 物理定律的精确性与“计算成本”的痕迹核心观点： 如果我们的世界是一个模拟程序，那么其运行需要计算资源。为了优化资源，模拟者可能会在某些方面表现出“效率至上.............
-
.......
-
脑洞大开，咱们来聊聊那些在科学原理上似乎说得通，但现实中还没见过的“科幻武器”。它们不是凭空想象，而是基于我们已知的物理规律和一些更前沿的理论推导出来的。1. 共振解体炮 (Resonance Disassembly Cannon) 原理核心： 物理学中的一个基本概念——共振。任何物体都有其固有.............
-
姐妹们，咱们今天就来聊点实在的，怎么让自己变得更美，而且是那种自然而然、由内而外散发光彩的美！别担心什么复杂的医美或者昂贵的大牌，很多时候，一个小小的改变，就能带来意想不到的效果。一、 睡出好气色：别小看睡眠的力量！我知道，咱们女生都很忙，工作、学习、社交，有时候一熬夜就停不下来。但你知道吗？熬夜真.............
-
娱乐圈里总有一些演员，演技在线，戏路也广，但就是怎么也捧不红，每当看到他们出演配角时，心里总会替他们感到一丝不甘。让我觉得特别可惜的，首先想到的是辛柏青。这位演员的名字可能对于很多人来说并不那么熟悉，但看过他作品的人，都会被他身上那种沉静而强大的力量所吸引。他的外形并不是那种一眼就能抓住人眼球的帅哥.............
-
生成式对抗网络（GAN）自2014年提出以来，经历了爆炸式的发展，并在人工智能领域掀起了新的浪潮。它的核心思想是通过两个神经网络——生成器（Generator）和判别器（Discriminator）——相互对抗来学习数据的分布，从而生成逼真的数据。生成器试图生成越来越逼真的数据来欺骗判别器，而判别器.............
-
如果我们严格限定“不参考任何史记书籍，仅以考古实物证明”，那么能够确定的历史事件和人物的范围会大大缩小，并且我们无法用“详细”的方式去讲述太多，因为考古发现本身往往是碎片化的，需要结合文献才能构建出更完整的叙事。然而，我们可以基于考古实物，推断出一些非常确定的事实和人物。以下是一些例子，并尽量详述它.............
-
国家铁路局征求意见：未满 14 岁儿童可实名购票、拟打破身高论票价，意义与建议国家铁路局近期发布的关于儿童票购买及计费方式调整的征求意见稿，无疑是出行领域的一件大事，尤其对于广大家庭而言，影响深远。此次意见稿的核心内容包括： 未满 14 岁儿童可凭本人身份证明实名购买儿童票。 拟打破过去以身.............
-
你好！很高兴能跟你聊聊跆拳道在实战中的运用。这可不是一套花拳绣腿，学好了，在真刀真枪的较量中可是很有料的！咱们就掰开了揉碎了，好好说说跆拳道那些能上实战的“硬家伙”。一、 核心基础：站桩与步法这玩意儿可不是站着不动，它是实战的根基，决定了你有没有“根”。 三七步 (Sambootsugi)： 这.............
-
歼16D：人民空军的电子战新利器，与歼20的完美搭档歼16D的投入实战化训练，标志着人民空军在信息化、体系化作战能力上迈出了重要一步。作为一款先进的电子战飞机，歼16D拥有诸多鲜明的特点，其与歼20的联合作战，更是为提升人民空军的整体战斗力带来了革命性的意义。下面将详细阐述歼16D的特点及其在提升空.............
本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息，本站不存储任何数据与内容，任何内容与数据均与本站无关，如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度，google,bing,sogou 等
© 2025 tinynews.org All Rights Reserved. 百科问答小站 版权所有