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《科學大佬的文藝生活》第一百七十七章 幾乎無解的高能環境
很多人小時候都玩過一個遊戲。

 過年的時候將鞭炮點燃,然後用一個盆蓋住鞭炮,但鞭炮炸的情況。

 簡單的說,聚變堆就和這差不多,而第一壁材料,就是那個盆。

 第一壁材料有兩個核心問題,高能中子輻照和以及高通量氘氚(等離子體轟擊。

 在高能中子輻照方面。

 目前研究的基本上是最容易實現的D-T聚變:每個D-T聚變都會產生一個14.1 MeV的中子。由於中子不帶電,無法用磁場約束,會直接轟擊到第一壁材料上產生損傷。

 每個D-T聚變都會產生一個14.1 MeV的中子。由於中子不帶電,無法用磁場約束,會直接轟擊到第一壁材料上產生損傷。

 14.1 MeV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1-10eV之間。

 也就是說,一個14.1MeV的中子所攜帶的能量,足以破壞成百上萬個普通的化學鍵,這無疑會對材料造成難以恢復的損傷。

 在聚變堆李,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,從而破壞整的原子排布。

 原子被擊跑了,原來的地方自然就留下一個空位,一個個這樣的坑在材料內部積累聚集起來,就變成了大的孔洞。

 另外,被擊跑的原子並不會小時,而是會通過各種方式擴散到材料表面上去。原子不斷的從中心往表面轉移,材料就慢慢的像空心泡沫一樣腫脹起來,這種尺寸的變化對正常服役的材料是致命的。

 除了輻照腫脹,中子輻照在材料中產生大量缺陷也會影響材料的力學性能,使得材料變硬、變脆、更容易斷裂,從而影響聚變堆的安全運行。

 中子還會和材料進行核反應,改變材料的元素組成,例如金屬W就會變成Re、Os、Hf、Ta。

 時間一長,材料的組成會變得和開始時完全不一樣,這對材料的影響也是非常大的。

 中子輻照問題雖然在裂變堆中也有,但裂變堆的中子無論是能量還是通量上都要比聚變堆低很多,因此裂變堆材料的技術也無法直接移植到聚變堆中。

 而在高通量氘氚等離子轟擊方面。

 聚變堆對D-T等離子的約束也並不完美,反應堆中會有大量的D-T離子轟向第一壁材料。由於T燃料價格十分的昂貴,上億人民幣一公斤,因此在聚變堆中都是通過中子和鋰反應來進行循環利用的。

 為了避免T呆在材料中不出來,第一壁采用的是金屬中對氫親和力最弱的鎢。T進入鎢中後難以和材料本身有效結合,隻好重新跑出來,繼續參與聚變。

 雖然鎢本身不和T結合,但中子輻照會產生的空洞對T的吸引力卻非常強,T一旦跑進孔洞中去就很難出來了。

 這就使得T燃料滯留在材料內部,從而破壞上面的T循環,使得T越用越少。

 沒有T了,自然無法進行聚變。

 此外,作為氣體氫的同位素,D-T在進入材料孔洞中後會形成氣體分子。這些氣體分子擠在有限的空間內,會形成十分高的壓強,從而擠出氫氣泡,使材料進一步開裂,造成嚴重的破壞。

 裂變堆中基本上沒有D-T問題,這個問題對於聚變堆材料來說是全新的,目前對於該問題的研究尚處於研究階段。

 就連基礎研究的科學現象都還沒有得到解釋。

 距離研發出商用聚變堆材料還有很長的路要走,別問,問就是商用五十年往後。

 另外還有其他困難。

 聚變堆中的服役環境是極端嚴苛的,這意味著做相關實驗的難度也十分的大。

 例如。

 研究聚變堆材料,顯然需要進行中子輻照實驗,但這個星球上的中子源是十分稀缺的,做一次中子輻照實驗不僅耗資巨大,還可能耗費數年的時間來積累足夠的中子損傷。

 當前文獻中能夠找到的中子輻照數據屈指可數,這對新材料的研發顯然是不利的。

 現在研究聚變中子輻照,往往采用的是離子輻照來類比,但依然很貴!

 而且離子還帶電,在材料中的穿透深度很淺,隻集中在材料表面的幾個微米內;而中子往往能夠穿透整個材料,引起均勻的輻照損傷。

 因此,離子輻照的結果能有多少能用於中子輻照還真不好說。

 另一個研究思路則是利用超級計算機,直接在虛擬世界中模擬中子輻照對材料的損傷,但也是很多研究所在做的事情。

 但這個思路也面臨著極大的挑戰。

 要在計算機中構建一個模型,其時間尺度橫跨飛秒到年,空間尺度從埃米到厘米,中間幾十個數量級的差別猶如天塹。

 沒有任何超算能夠精準的模擬這一過程,現在只有用各種‘真空中的球形雞’來簡化模型。

 “怎麽?能不能騰出時間來?”田教授繼續鼓動慕景池,“你那個準點下班回家的習慣可以改一改,晚回去兩三四個小時也沒事。”

 慕景池搖搖頭,還是拒絕了。

 第一壁材料對現在的慕景池而言,這幾乎無解。

 這種高能環境下任何材料結構都被打爛了, 如果現在的均質材料都不行,那基本上沒轍。材料科學本來就是在材料微觀結構上想辦法,這微觀結構都被打碎了,再牛逼的工藝也不好使啊!

 就算慕景池得到未來的相關知識,也沒有核聚變商用的相關信息。

 要麽是未來也沒有突破核聚變的問題,要麽萃取的知識有局限,並沒有被收錄到核聚變的相關知識。

 以現在的慕景池來看,這個問題不是單純的材料能夠解決的。需要材料、數學、物理、計算機等等領域的通力合作才能完成的。

 不論是托卡馬克,還是仿星堆,亦或者是原理不同的NIF,三阿爾法能源的聚變堆,都不可能繞開這個第一壁。

 “您還是另尋高明吧!”慕景池搖搖頭,“我沒什麽時間和精力,也沒那個能耐去搞著這第一壁材料研究。”

 
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