第三百九十一章好消息和壞消息

大國院士 第三百九十一章好消息和壞消息

棲霞山可控核聚變研究院中，站在實驗室內，徐川看著顯示屏上的圖像和數據。

而在實驗室的一側，還有著一間隔離實驗間。

在那里面，掃描電鏡、金屬原位分析儀、質譜分析儀等設備正在分析著設備中的材料。

破曉聚變裝置第二次的極限實驗，創造的不僅僅是兩小時的高密度等離子體運行記錄，還有一次氘氚原料聚變點火運行實驗。

真正的氘氚原料聚變點火運行實驗，帶來的數據與價值，不是氦三與氫氣模擬高密度等離子體流運行能比的。

后者盡管同樣能在溫度、密度等方面接近前者，但終究是沒法發生聚變現象的。

而前者，哪怕僅僅只有一毫克的量，卻能做到真正的氘氚聚變釋放能量，釋放中子，提升等離子體的溫度，擾亂等離子體運行等等。

這些都是氦三與氫氣模擬運行所無法做到的。

尤其是第一壁材料的中子輻照損傷，這是可控核聚變中繼控制反應堆腔室中的高溫等離子體湍流的下一個世界難題。

第一壁的材料不僅僅要面對反應堆腔室中上億度的高溫氘氚等離子體，還要面對氘氚原料聚變過程中產生的中子束。

除此之外，第一壁材料可能甚至還要承擔氚自持的功能。

DT可控核聚變的兩種原料分別是氘和氚。

氘元素在地球上的含量巨大，光是海水中就蘊藏了大約40萬億噸的氘，制取也相對簡單很多。

但相比較氘來說，氚在地球上的存儲量就相當稀少了。

全球自然資源中的氚存量幾乎少到可以忽略不計了，自然界的存量只有3.5千克左右。

而目前各國對氚原料的存儲，所有的國家加起來也不超過二十五公斤。

一方面是氚會自主的發射β射線而衰變，半衰期僅有12.5年的短暫時間。

另一方面則是制備它一般都只能通過核反應。

目前在工業上制備氚，主要是利用反應堆的中子，采用鋰6化合物做靶材，生產氚，然后利用熱擴散法，使氚富集至99以上再收集保存。

而中子束不可控，再加上核裂變堆中產生的量也不大，所以產量很低。

因此在可控核聚變技術中，如何讓氚保持自持循環，同樣是相當關鍵的問題之一。

或許有人會覺得可以利用粒子加速器來加速中子轟擊鋰材料制造氚原料，但有這種想法的，老實說基本都是高中沒認真學習物理的。

中子不帶電子，加速器的磁場對它根本就沒任何作用。

要是磁場能約束中子，可控核聚變反應堆第一壁的材料也不至于那么難找了。

好在氘氚聚變過程中會產生大量的中子，如果利用中子來轟擊鋰6化合物靶材，在理論上是可以維持氚自持的。

而在上次破曉聚變堆的運行中，徐川就做了這樣的實驗。

在第一壁上面，他讓人安裝了鋰6化合物靶材、鎢合金、鉬合金、石墨、碳復合材料、鈹合金等各種材料片。

其中鋰6化合物靶材材料是用于測試在氘氚聚變過程中，釋放的中子是否真的能如同理論上一樣轟擊鋰材料產生足夠的氚原料。

而其他的材料，則是為了尋找最合適的第一壁材料。

中子輻照可不是鬧著玩的東西。

就目前而言，它能對大部分的材料，對絕大部分的金屬材料都產生極強的嬗變作用。

這不僅會破壞材料的結構，還會如同發泡劑一般，將材料變成極為脆弱的泡沫。

想象一下，一塊和泡沫箱一樣厚的鋼鐵，被你用手輕輕一掰就碎成了渣子是什么感覺？

可控核聚變反應堆中的中子輻照就能做到這一點。

事實上情況也正是如此，盡管上次破曉聚變裝置使用的氘氚原料只有一毫克，但在聚變過程中產生的中子依舊對這些部署在第一壁上的各種測試材料產生了不同程度的損傷。

不過值得高興的是，鋰6化合物靶材在實驗過程中的確起到了對應的作用，氘氚聚變產生的中子束撞上它后產生了一些氚元素。

因此從理論上來說，利用鋰6化合物靶材作為反應物，解決氚自持這一難題從理論上來說是可以做到的。

這也算是一個重大的突破了。

畢竟在以往，可沒有哪個實驗機構或者研究機構能真實的做到利用實驗堆進行氘氚聚變反應測試中子鋰材料合成氚原料。

他們這應該是第一次。

不過好消息有，但是壞消息更多。

那些安裝在第一壁材料上的各種對抗中子輻照的測試材料，損傷程度，比徐川計算中的要更高。

看電腦屏幕中的圖像，站在徐川身邊的另一邊材料學教授趙光貴輕輕嘆了口氣，道：“從實驗數據來看，問題比我們想象中要多不少。”

徐川望著電腦上的圖像，道：“再多也得一一解決不是么？”

聞言，趙光貴嘆道：“話的確是這么說，但咱們的麻煩可不少。而且咱們現在已經進入了一個新的領域，在可控核聚變這一塊，已經沒有其他的研究機構或實驗室能給我們提供經驗作為參考了。”

聽到這話，徐川笑了笑，道：“參考其他人的經驗和思路的確能給我們提供很大便捷，但終究是在別人的路上走而已。在科研這方面，要想有所成就，終究是要有自己的想法和思路的。”

“偷懶的方式或許適合其他領域，但對于搞學術研究的我們來說，該怎么做，怎么解決問題，終究是需要我們的自己去獨立思考的。”

一旁，從水木大學那邊調過來材料學教授邢學興笑道：“能走在前面拓展邊界，這是每一個研究員和學者都希冀的事情。”

頓了頓，他將話題重新引回了實驗數據上：“不過趙教授說的也沒錯，咱們這次的麻煩可不少。”

“無論是氚自持還是各項抗中子輻照樣品材料的損傷，都遠低于實驗前的預料。”

“利用中子轟擊鋰靶材，的確可以做到生成氚元素。但生成量和我們收集到的量并沒有理論上那么多。”

“一方面是腔室中聚變生成的中子束并沒有全都作用于鋰6化合物靶材，它攜帶的能量太高，會直接擊穿靶材，導致反應的數量遠低于預期。”

“另一方面則是這些中子攜帶的能級太高，1.2億度溫度下，氘氚聚變釋放出來的中子束能級堪比中大型粒子對撞機了，這會對靶材和第一壁都造成極為嚴重的影響。”

徐川思索了一下，道：“第一個問題倒還好解決，大不了可以將靶材的厚度提升一些。另外可以做成全覆蓋式，整體將反應腔室包裹起來，這樣一來中子束就不是浪費。”

“至于第二個就有點麻煩了。”

可控核聚變不是核裂變，核裂變的溫度是遠比不上核聚變的。

哪怕是大當量的核彈爆炸，中心溫度頂天也就百萬攝氏度級別。

當年投放在廣島的小男孩，爆炸核心區域的溫度只有六千多度。對比之下，這個數值在可控核聚變中簡直不值一提。

六千多度，這個數據連破曉聚變裝置運行的等離子體溫度的零頭的零頭都不夠。

而核彈爆炸的溫度都只有這樣，那么利用核裂變效應發電的核電站溫度就更低了。

因此絕大部分能用在核裂變反應堆上的對抗輻照材料，根本就無法用于可控核聚變反應堆上。

不僅僅是用于氚自持的鋰靶材在實驗過程中受到了損傷，其他部署于第一壁的實驗材料，也同樣有損傷。

一旁，趙光貴試探著開口道：“將聚變溫度降低一些如何？”

“氘氚聚變的溫度在一千兩百萬度左右就可以發生，一點二億度，這翻了整整十倍了。”

“雖然降低溫度會影響氘氚等離子體的活躍性，進而影響到聚變數量和產生的能量。但犧牲一部分熱量和能量換取第一壁材料的穩定并不是不可取的。”

徐川想了想，搖搖頭道：“可行性不大。”

“熱運動雖然可以使中子發生非彈性碰撞，熱運動速度越高，對物質的影響就越大，但聚變堆中的中子束的能級并不單單來源于溫度。”

“它的主要來源是氘氚原子核聚變時產生的能量推動，每個氘氚原子核聚變都會產生一個14.1MeV的中子，這部分在高能物理上是注定的，而降低溫度只是消減了一部分外力而已。”

趙鴻志點了點頭，道：“嗯，從這方面來看，降低溫度從而減小中子對第一壁材料的破壞基本不大可能了。”

“而從中子輻照后的材料分析數據來看，鉬、鎢、石墨烯這些材料在第一階梯，受中子輻照的影響較小，奧式鋼、陶瓷這些在第二階梯、其他的更差。”

一旁，水木大學的邢學興教授搖搖頭道：“鉬不行，這個水木那邊之前有做過研究，鉬在接受中子輻照的時候會嬗變成放射性元素。至于鉬合金的話，就需要更多的嘗試了。”

“倒是鎢，鎢合金可能還有點希望。目前ITER和EAST那邊的第一壁材料都采用的鎢合金，耐熱性能不錯，嬗變產物是鋨和錸，不存在放射性問題。”

徐川搖了搖頭，道：“鎢大概也行不通。”

“鎢的耐熱性和嬗變產物都沒什么問題，但是它的物理塑性和熱膨脹系數的差異，以及熱應力的積累等問題，會導致材料內部產生裂紋。”

“這對于可控核聚變反應堆來說是致命的。”

聽到徐川否決鎢合金，實驗室中又陷入了沉默。

第一壁的材料問題的確很麻煩，麻煩到目前全世界都找不出來一種合適的。

畢竟在可控聚變堆中，第一壁材料受到等離子體中發射出來的高能中子、電磁輻射和高能粒子(氘氚氦和其他雜質)的強烈作用。

一個商用的托卡馬克反應堆，理論上來說，一般中子壁負荷至少要達到5MW/m2以上。

中子壁負荷是一個與聚變堆的功率密度有關的設計指標，數值上等于單位面積的第一壁材料上的聚變中子源強度與中子能量的乘積。

而絕大部分的耐熱材料，在面對這些極端嚴苛的屬性挑戰時，根本就達不到要求。

不過話又說回來，這個問題真要那么容易解決，也不至于留到現在了。

畢竟可控核聚變是全世界有能力搞都會搞的東西，里面的各種技術難題，材料問題肯定都討論過無數次了。

盯著電腦顯示屏上的數據，徐川沉思了一會后開口道：“我覺得，第一壁的材料選擇，或許我們要改變一下思路。”

聞言，實驗室中的其他人都看了過來。

趙鴻志問道：“怎么說？”

徐川思忖了一下，組織了一下語言后開口道：“每個DT聚變都會產生一個14.1MeV的中子。由于中子不帶電，無法用磁場約束，會直接轟擊到第一壁材料上產生損傷。”

“14.1MeV是個很大很大的能量，要知道材料中束縛原子的都是各種化學鍵，其鍵能大約在110eV之間。”

“也就是說，一個14.1MeV的中子所攜帶的能量，足以破壞上百萬個普通的化學鍵，這無疑會對材料造成難以恢復的損傷。”

“而在聚變堆里，高能中子就像一顆顆射向材料的子彈，不斷的撞擊金屬原子，打斷其周圍的化學鍵，迫使原子離開原來的位置，從而破壞規整的原子排布。”

“如果是單純的要抵抗中子的話，或許使用鈹金、石墨、石墨和鈾238這些材料制成的結構能做到，核裂變堆里面不就是利用這些材料做中子反射的么。”

“但放到可控核聚變反應堆里面，就不行了。”

“原因很簡單，因為我們需要中子來做氚自持，否則目前存儲的氚原料根本就無法支撐可控核聚變的商業化使用。”

“所以我個人覺得，與其在金屬材料中尋找一種抵抗材料，還不如將目光放在其他材料上試試？”