第0177章 幾乎無解的高能環境
更新時間:2020-02-07 作者:東小林
科學大佬的文藝生活 第0177章 幾乎無解的高能環境
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DT聚變：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。 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DT等離子的約束也并不完美，反應堆中會有大量的DT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，DT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DT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。 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后。 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，只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于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。 “怎么？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。 要么是未來也沒有突破核聚變的問題，要么萃取的知識有局限，并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，“我沒什么時間和精力，也沒那個能耐去搞著這第一壁材料研究。” 科學大佬的文藝生活 第0177章 幾乎無解的高能環境
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DT聚變：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。 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DT等離子的約束也并不完美，反應堆中會有大量的DT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，DT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DT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。 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后。 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，只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于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。 “怎么？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。 要么是未來也沒有突破核聚變的問題，要么萃取的知識有局限，并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，“我沒什么時間和精力，也沒那個能耐去搞著這第一壁材料研究。” 科學大佬的文藝生活 第0177章 幾乎無解的高能環境
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