大国院士第三百九十一章 好消息和坏消息
栖霞山可控核聚变研究院中，站在实验室内，徐川看着显示屏上的图像和数据。 而在实验室的一侧，还有着一间隔离实验间。 在那里面，扫描电镜、金属原位分析仪、质谱分析仪等设备正在分析着设备中的材料。 破晓聚变装置第二次的极限实验，创造的不仅仅是两小时的高密度等离子体运行记录，还有一次氘氚原料聚变点火运行实验。 真正的氘氚原料聚变点火运行实验，带来的数据与价值，不是氦三与氢气模拟高密度等离子体流运行能比的。 后者尽管同样能在温度、密度等方面接近前者，但终究是没法发生聚变现象的。 而前者，哪怕仅仅只有一毫克的量，却能做到真正的氘氚聚变释放能量，释放中子，提升等离子体的温度，扰乱等离子体运行等等。 这些都是氦三与氢气模拟运行所无法做到的。 尤其是第一壁材料的中子辐照损伤，这是可控核聚变中继控制反应堆腔室中的高温等离子体湍流的下一个世界难题。 第一壁的材料不仅仅要面对反应堆腔室中上亿度的高温氘氚等离子体，还要面对氘氚原料聚变过程中产生的中子束。 除此之外，第一壁材料可能甚至还要承担氚自持的功能。 dt可控核聚变的两种原料分别是氘和氚。 氘元素在地球上的含量巨大，光是海水中就蕴藏了大约40万亿吨的氘，制取也相对简单很多。 但相比较氘来说，氚在地球上的存储量就相当稀少了。 全球自然资源中的氚存量几乎少到可以忽略不计了，自然界的存量只有35千克左右。 而目前各国对氚原料的存储，所有的国家加起来也不超过二十五公斤。 一方面是氚会自主的发射β射线而衰变，半衰期仅有125年的短暂时间。 另一方面则是制备它一般都只能通过核反应。 目前在工业上制备氚，主要是利用反应堆的中子，采用锂-6化合物做靶材，生产氚，然后利用热扩散法，使氚富集至99以上再收集保存。 而中子束不可控，再加上核裂变堆中产生的量也不大，所以产量很低。 因此在可控核聚变技术中，如何让氚保持自持循环，同样是相当关键的问题之一。 或许有人会觉得可以利用粒子加速器来加速中子轰击锂材料制造氚原料，但有这种想法的，老实说基本都是高中没认真学习物理的。 中子不带电子，加速器的磁场对它根本就没任何作用。 要是磁场能约束中子，可控核聚变反应堆第一壁的材料也不至于那么难找了。 好在氘氚聚变过程中会产生大量的中子，如果利用中子来轰击锂-6化合物靶材，在理论上是可以维持氚自持的。 而在上次破晓聚变堆的运行中，徐川就做了这样的实验。 在第一壁上面，他让人安装了锂-6化合物靶材、钨合金、钼合金、石墨、碳复合材料、铍合金等各种材料片。 其中锂-6化合物靶材材料是用于测试在氘氚聚变过程中，释放的中子是否真的能如同理论上一样轰击锂材料产生足够的氚原料。 而其他的材料，则是为了寻找最合适的第一壁材料。 中子辐照可不是闹着玩的东西。 就目前而言，它能对大部分的材料，对绝大部分的金属材料都产生极强的嬗变作用。 这不仅会破坏材料的结构，还会如同发泡剂一般，将材料变成极为脆弱的泡沫。 想象一下，一块和泡沫箱一样厚的钢铁，被你用手轻轻一掰就碎成了渣子是什么感觉？ 可控核聚变反应堆中的中子辐照就能做到这一点。 事实上情况也正是如此，尽管上次破晓聚变装置使用的氘氚原料只有一毫克，但在聚变过程中产生的中子依旧对这些部署在第一壁上的各种测试材料产生了不同程度的损伤。 不过值得高兴的是，锂-6化合物靶材在实验过程中的确起到了对应的作用，氘氚聚变产生的中子束撞上它后产生了一些氚元素。 因此从理论上来说，利用锂-6化合物靶材作为反应物，解决氚自持这一难题从理论上来说是可以做到的。 这也算是一个重大的突破了。 毕竟在以往，可没有哪个实验机构或者研究机构能真实的做到利用实验堆进行氘氚聚变反应测试中子+锂材料合成氚原料。 他们这应该是第一次。 不过好消息有，但是坏消息更多。 那些安装在第一壁材料上的各种对抗中子辐照的测试材料，损伤程度，比徐川计算中的要更高。 看电脑屏幕中的图像，站在徐川身边的另一边材料学教授赵光贵轻轻叹了口气，道：“从实验数据来看，问题比我们想象中要多不少。” 徐川望着电脑上的图像，道：“再多也得一一解决不是么？” 闻言，赵光贵叹道：“话的确是这么说，但咱们的麻烦可不少。而且咱们现在已经进入了一个新的领域，在可控核聚变这一块，已经没有其他的研究机构或实验室能给我们提供经验作为参考了。” 听到这话，徐川笑了笑，道：“参考其他人的经验和思路的确能给我们提供很大便捷，但终究是在别人的路上走而已。在科研这方面，要想有所成就，终究是要有自己的想法和思路的。” “偷懒的方式或许适合其他领域，但对于搞学术研究的我们来说，该怎么做，怎么解决问题，终究是需要我们的自己去独立思考的。” 一旁，从水木大学那边调过来材料学教授邢学兴笑道：“能走在前面拓展边界，这是每一个研究员和学者都希冀的事情。” 顿了顿，他将话题重新引回了实验数据上：“不过赵教授说的也没错，咱们这次的麻烦可不少。” “无论是氚自持还是各项抗中子辐照样品材料的损伤，都远低于实验前的预料。” “利用中子轰击锂靶材，的确可以做到生成氚元素。但生成量和我们收集到的量并没有理论上那么多。” “一方面是腔室中聚变生成的中子束并没有全都作用于锂-6化合物靶材，它携带的能量太高，会直接击穿靶材，导致反应的数量远低于预期。” “另一方面则是这些中子携带的能级太高，12亿度温度下，氘氚聚变释放出来的中子束能级堪比中大型粒子对撞机了，这会对靶材和第一壁都造成极为严重的影响。” 徐川思索了一下，道：“第一个问题倒还好解决，大不了可以将靶材的厚度提升一些。另外可以做成全覆盖式，整体将反应腔室包裹起来，这样一来中子束就不是浪费。” “至于第二个就有点麻烦了。” 可控核聚变不是核裂变，核裂变的温度是远比不上核聚变的。 哪怕是大当量的核弹爆炸，中心温度顶天也就百万摄氏度级别。 当年投放在广岛的小男孩，爆炸核心区域的温度只有六千多度。对比之下，这个数值在可控核聚变中简直不值一提。 六千多度，这个数据连破晓聚变装置运行的等离子体温度的零头的零头都不够。 而核弹爆炸的温度都只有这样，那么利用核裂变效应发电的核电站温度就更低了。 因此绝大部分能用在核裂变反应堆上的对抗辐照材料，根本就无法用于可控核聚变反应堆上。 不仅仅是用于氚自持的锂靶材在实验过程中受到了损伤，其他部署于第一壁的实验材料，也同样有损伤。 一旁，赵光贵试探着开口道：“将聚变温度降低一些如何？” “氘氚聚变的温度在一千两百万度左右就可以发生，一点二亿度，这翻了整整十倍了。” “虽然降低温度会影响氘氚等离子体的活跃性，进而影响到聚变数量和产生的能量。但牺牲一部分热量和能量换取第一壁材料的稳定并不是不可取的。” 徐川想了想，摇摇头道：“可行性不大。” “热运动虽然可以使中子发生非弹性碰撞，热运动速度越高，对物质的影响就越大，但聚变堆中的中子束的能级并不单单来源于温度。” “它的主要来源是氘氚原子核聚变时产生的能量推动，每个氘氚原子核聚变都会产生一个141 v的中子，这部分在高能物理上是注定的，而降低温度只是消减了一部分外力而已。” 赵鸿志点了点头，道：“嗯，从这方面来看，降低温度从而减小中子对第一壁材料的破坏基本不大可能了。” “而从中子辐照后的材料分析数据来看，钼、钨、石墨烯这些材料在第一阶梯，受中子辐照的影响较小，奥式钢、陶瓷这些在第二阶梯、其他的更差。” 一旁，水木大学的邢学兴教授摇摇头道：“钼不行，这个水木那边之前有做过研究，钼在接受中子辐照的时候会嬗变成放射性元素。至于钼合金的话，就需要更多的尝试了。” “倒是钨，钨合金可能还有点希望。目前iter和east那边的第一壁材料都采用的钨合金，耐热性能不错，嬗变产物是锇和铼，不存在放射性问题。” 徐川摇了摇头，道：“钨大概也行不通。” “钨的耐热性和嬗变产物都没什么问题，但是它的物理塑性和热膨胀系数的差异，以及热应力的积累等问题，会导致材料内部产生裂纹。” “这对于可控核聚变反应堆来说是致命的。” 听到徐川否决钨合金，实验室中又陷入了沉默。 第一壁的材料问题的确很麻烦，麻烦到目前全世界都找不出来一种合适的。 毕竟在可控聚变堆中，第一壁材料受到等离子体中发射出来的高能中子、电磁辐射和高能粒子(氘氚氦和其他杂质)的强烈作用。 一个商用的托卡马克反应堆，理论上来说，一般中子壁负荷至少要达到5w\/2以上。 中子壁负荷是一个与聚变堆的功率密度有关的设计指标，数值上等于单位面积的第一壁材料上的聚变中子源强度与中子能量的乘积。 而绝大部分的耐热材料，在面对这些极端严苛的属性挑战时，根本就达不到要求。 不过话又说回来，这个问题真要那么容易解决，也不至于留到现在了。 毕竟可控核聚变是全世界有能力搞都会搞的东西，里面的各种技术难题，材料问题肯定都讨论过无数次了。 盯着电脑显示屏上的数据，徐川沉思了一会后开口道：“我觉得，第一壁的材料选择，或许我们要改变一下思路。” 闻言，实验室中的其他人都看了过来。 赵鸿志问道：“怎么说？” 徐川思忖了一下，组织了一下语言后开口道：“每个d-t聚变都会产生一个141 v的中子。由于中子不带电，无法用磁场约束，会直接轰击到第一壁材料上产生损伤。” “141 v是个很大很大的能量，要知道材料中束缚原子的都是各种化学键，其键能大约在1~10 ev之间。” “也就是说，一个141 v的中子所携带的能量，足以破坏上百万个普通的化学键，这无疑会对材料造成难以恢复的损伤。” “而在聚变堆里，高能中子就像一颗颗射向材料的子弹，不断的撞击金属原子，打断其周围的化学键，迫使原子离开原来的位置，从而破坏规整的原子排布。” “如果是单纯的要抵抗中子的话，或许使用铍金、石墨、石墨和铀238这些材料制成的结构能做到，核裂变堆里面不就是利用这些材料做中子反射的么。” “但放到可控核聚变反应堆里面，就不行了。” “原因很简单，因为我们需要中子来做氚自持，否则目前存储的氚原料根本就无法支撑可控核聚变的商业化使用。” “所以我个人觉得，与其在金属材料中寻找一种抵抗材料，还不如将目光放在其他材料上试试？”