迈向能源自由，我国造出超级钨，具有高韧性，聚变堆补上关键材料

核聚变作为人类进入一级文明的门槛，承载着全人类的重大希望，一旦成功标志着人类进入能源自由阶段。

太阳不用考虑核聚变产生的后果，但是人类可控核聚变必须考虑各种问题。这里面有理论问题，有工程问题，还有防护材料的问题。

可控核聚变难度极大，每一个突破都值得欢呼。

中国科学院合肥物理研究所吴学邦研究员带领的团队，已经研制出一种钨做成的超级材料，可用于可控核聚变的内壁防护。

相关成果已在国际顶级学术期刊上发表。

▍为什么人工核聚变实现很难？

人工核聚变之所以耗尽人类科学家的智力，就是因为没有办法完全模拟太阳核聚变的所有条件。

太阳内部的核聚变可以直接从氢原子（质子）开始，但是所有的过程都是两个原子核相互碰撞，这个过程有很多条路径可以完成，被称作质子链，最终形成氦。

原子核都带正电，之间相互碰撞，聚变形成新的原子核，要克服相互接近时巨大的库仑斥力。

而且在融合发生的瞬间，需要依靠量子力学里面的隧道效应。

隧道效应，简单的说就是两个有一定距离的原子核突然一跳，然后碰在一起。因为穿越了中间这个距离，所以被称为隧道效应。而且，隧道效应是物理学中唯一允许超光速的。

影响隧道效应的有两个因素，一个是温度，一个就是压力。压力决定物质密度，也就是原子核之间的距离，温度决定原子核发生隧道效应的概率。

如果物质密度大，原子核靠的近，那么温度可以低一点，反之温度就得提高。

太阳内部有3000亿个大气压，物质的密度高达100吨每立方米。

但是在地球上做不到如此高的压力，在核聚变堆里面的等离子体的密度几乎跟真空差不多。

这就要求必须把聚变点火的温度提高到极高。

太阳内部的温度是1500万摄氏度，已经烧了50亿年。2021年，我国的核聚变装置在1.6亿度运行了20秒，已经代表世界纪录了。

商业发电的前提是，输入的能量要小于输出的能量，这要求核聚变等离子体的温度要超过5亿度。

温度越高，对磁约束的要求也越高，同时对热防护材料的要求也越高。

如果说提高磁场强度和反应温度都属于物理学上的程序性问题，那么反应堆的制造材料就是一个硬问题，这个问题也很关键。

▍研制聚变反应堆的防护材料是巨大挑战。

我们看到的中国的托卡马克装置以及国外的聚变堆装置，外壳跟管道都是银光闪闪的，因为这些材料都是不锈钢。

不锈钢强度高，耐高温、耐腐蚀，所以才用来制造托卡马克装置的主体工程，但是在反应堆的内部面向高温等离子体的防护材料，连不锈钢都扛不住。

束缚高温等离子体的磁约束不是一个硬的约束，所以会被一些高温离子穿透，其中带电粒子会被导入一个偏流器。

剩下的光辐射和其他的粒子就要直接打在反应堆的内壁上，其中光辐射的功率大概占了60%。

而且，聚变高温等离子体是一种不稳定流体，属于湍流，有的时候会突然加速形成类似太阳表面喷出来的耀斑。

这个时候功率就会出现一个峰值，瞬间打在防护壁上的辐射能量就要大很多，对热防护性能要求非常高。

地球上所有耐高温的材料中，钨的性能是最好的，熔点高达3410度。

而且钨具有很高的强度，当1600度的时候，钢铁已经融化成铁水了，钨反而具有很高的抗拉强度。

但是钨也有一个非常大的缺点，就是太脆了，延展性不好。所以现在的钨材料要么就是作为其他高温合金的添加剂，要么就是作为配重材料，或者做高速穿甲弹。

我国是世界上钨最大生产国，每年产出占全球的80%，而且我国钨矿非常优质，含杂质极少。

改善钨的力学性能就可以极大地拓展这种材料的用途，这其中的关键就是要让钨材料变得更有弹性。

中国科学家把钨粉末加热到2000度，再使用锻打的方法，使钨的结晶体变小，呈片状堆积分布，极大的增加了钨的延展性和韧性。

如果用这种材料作为核聚变堆内壁防热层，可以极大的延长反应堆的寿命，把原来材料几个月的寿命延长到几年甚至几十年。

因为现在这个托卡马克装置它放电的时间太短，所以材料的寿命长短感觉影响不大，但是一旦进入商业化应用阶段，材料的寿命是必须突破的，现在这个材料可以说已经提前准备好了。

▍托卡马克装置如此难搞，有没有什么比较好的替代方案？

曾经有一种设想，就是制造一个内径是80米，重10万吨的空心钢球。

在钢球的中间，每10秒钟爆炸一颗80吨TNT当量的氢弹，把脉冲能量转化为热能，烧开水驱动蒸汽轮机。

但是这个方案仍然面临着瞬间超强辐射难题，所以对内表面的防护材料要求也是很高的。

以上是最简单粗暴的方案，计算以后发现效率并不高，实用化难度很大。

托卡马克装置内部没有办法实现像太阳那样的高压，所以没有办法拉近原子核的距离，只能一味的增加温度。

现在有些科学家在搞所谓的冷聚变，就是通过拉近原子核之间的距离，使反应温度降低。拉近原子核距离的方法有很多，典型的方法就是把氢原子核挤进一个晶体的晶格中。

这种方法理论上可以让核聚变在1000度之内就产生，但是由于晶格间距是固定的无法调节，所以反应效率极低。而且反应堆芯的功率不能做大，否则导致晶体融化。

综上所述，托卡马克装置是核聚变唯一有前途，值得投入的装置。谷歌现在已经开始用AI来控制托卡马克装置中的磁约束，可以极大提高核聚变的稳定性。

关键词： 托卡马克 隧道效应 等离子体

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