每天10亿：开局投资再生科技！ 可控核聚变实现的难点

可控核聚变，需要把聚变材料束缚在装置内，使之达到上亿度的温度，然后发生聚变反应释放能量，并且实现稳定输出。

目前实现可控核聚变的方式有两种，一是超强激光束进行能量聚焦，二是托卡马克装置。

激光方面美国的技术最先进，但还是远远达不到商用可控核聚变的程度，该技术需要使用尽可能多的激光束，把能量聚焦到一个点上，每个方位的能量输入不能有偏差，这点难度就非常高，而且强激光对光学设备的要求极高。

而托卡马克装置，在技术上稳步进展，国际上已经能实现输出能量大于输入能量的水平，我国的“人造太阳”也达到了较高的水平。

但是托卡马克装置还存在很多技术瓶颈，距离商用还有很长的距离，比如以下两个难点：

第一壁

可控核聚变主要用到氘核与氚核聚变，反应方程式为：

3H+2H→4He+n，ΔE=14.6MeV;

原子在高温下将成为等离子态，利用磁场可以把原子核与电子分离出来，等离子电浆在托卡马克装置中被束缚；但是反应产物中子不带电，高能中子会频繁撞击内壁，造成内壁物质不7a**fe59b9ee7ad**6638可逆转的改变。

虽然等离子体被磁场束缚，但是内壁温度还高达1000℃，在等离子体解体时，内部温度高达3000℃；如果没有应对这种极端条件的材料，频繁更换内壁将是很麻烦的事。

超导材料

托卡马克装置的关键，就是需要利用超导体来制造强磁场，磁场越强束缚高温等离子体的能力越强，目前的超导材料需要在130K温度附近实现。

一边上亿度的超高温等离子体，一边需要保持零下100多摄氏度的超导体，如何把两个系统长时间放到一起稳定运行是一大难点，而且核聚变的中子无法100%隔离，高能中子还会损害超导线圈。

目前期望的解决途径，就是常温超导体，利用常温超导体能大大降低超导系统的复杂程度，但是常温超导体的研制，还没有突破性进展。

除了以上两点，氚元素的来源、磁束缚时间、能量控制、产物导流等问题都有待攻克。

费米曾说过，核技术的成败取决于材料在反应堆中强辐射场下的行为。这句话是针对裂变堆的，但对聚变堆而言，核材料面临的问题反而更加严峻。在商业化的托卡马可聚变堆中，其第一壁材料，也就是直接面向等离子体的那层材料，需要满足以下多种严苛的要求：1低氚滞留最容易控制的聚变反应为氘氚反应：

但氚（T）的半衰期短，不存在天然氚。人工制造又几乎不可能，上亿美元一千克，还是有价无市。因此，聚变堆中的氚都需要循环利用：

倍增过的中子和锂反应，再把氚回收，这样氚就成了类似于催化剂的存在。但是，目前氚的消耗/增殖比很低，（，因此必须严格控制耗散在各个环节的氚。其中又因第一壁直接和等离子体直接接触，算是氚滞留大户，需严格把控。否则氚越用越少，直接会导致等离子体熄灭停堆。

2抗中子辐照能力每个氘氚聚变都会产生一个14MeV能量的中子，这些高能中子能轻易击碎第一壁材料中的金属键，产生大量缺陷，引起辐照肿胀、脆化、蠕变等问题，使得材料完全没法使用。商业聚变堆役期中第一壁中子剂量预计超过100dpa（每个原子被撞离正常位置的平均次数），而裂变堆的剂量在1dpa量级，因此现有的裂变堆材料很难直接拿到聚变堆中使用。

3抗等离子体辐照磁约束的边界并不是理想的，第一壁（特别是偏滤器装甲）依然要承受高通量的氘/氚/氦等离子体冲击。这些等离子体轰入材料内部后会在表面聚集，引起表面起泡、脱落（如下图）。

一方面破坏材料的表面完整性，另一方面脱落下来的碎片进入等离子体也会造成等离子体破灭。

4低活化中子轰击下，许多元素都会发生核反应，嬗变成其他核素。有些核素是不稳定的，会进一步衰变持续放出辐射。这样一来聚变反应无辐射污染产物的优势就没有了，因此用作第一壁的材料都是低活化材料，也就是嬗变后依然稳定不衰变的元素。例如，一开始人们拟用金属钼作为第一壁材料，后来发现嬗变产物有辐射太难处理，现在都在逐步换成金属钨（嬗变产物是稳定的铼和锇）。

5耐高温耐热冲击商业聚变堆第一壁的工作的温度在1000℃以上，等离子体破灭的一瞬间更是能达到2000~3000℃，钢材、铜材这样的低熔点材料直接就pass掉了。另外，第一壁的任务是把热能导出去，熔点高但导热性不行的陶瓷材料基本上也被毙掉了。目前比较有希望的候选材料金属钨的熔点为3400℃。但钨还存在塑性较差的缺点，在离子体破灭的热冲击下，热应力往往会使得材料表面开裂。

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