很多人小時候都玩過一個游戲。
過年的時候將鞭炮點燃,然后用一個盆蓋住鞭炮,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14.1MeV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。
每個D-T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,被擊跑的原子并不會小時,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等離子的約束也并不完美,反應堆中會有大量的D-T離子轟向第一壁材料。由于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進入鎢中后難以和材料本身有效結合,只好重新跑出來,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在進入材料孔洞中后會形成氣體分子。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,這個問題對于聚變堆材料來說是全新的,目前對于該問題的研究尚處于研究階段。