地球上最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)和工程嘗試可以說(shuō)是聚變。建造一座核聚變反應(yīng)堆，實(shí)現(xiàn)自持反應(yīng)，并將這種能量轉(zhuǎn)換為幾乎取之不盡的電力，將永遠(yuǎn)改變?nèi)祟惡臀覀兣c能源的關(guān)系。盡管這聽(tīng)起來(lái)很誘人，但進(jìn)展并不容易或順利。圍繞支撐這種復(fù)雜裝置所需的結(jié)構(gòu)、燃料和材料的技術(shù)挑戰(zhàn)仍然只得到部分解決。

了解當(dāng)今聚變能源所面臨的技術(shù)限制和知識(shí)差距，首先要研究聚變反應(yīng)堆本身。

在托卡馬克反應(yīng)堆內(nèi)，超高溫的電離氣體或“等離子體”被加熱到超過(guò)1億攝氏度，以誘發(fā)核聚變反應(yīng)。在強(qiáng)大磁場(chǎng)的約束下，反應(yīng)堆壁被保護(hù)起來(lái)，免受多變等離子體的影響。

核聚變中使用的等離子體通常由氫的兩種重同位素——氘和氚——組成，然后聚變產(chǎn)生氦和中子。在核聚變電廠中，工程師們希望通過(guò)尚未測(cè)試的鋰增殖區(qū)屏蔽層，對(duì)聚變產(chǎn)生的中子作出反應(yīng)，“增殖”或創(chuàng)造更多的氚。

英國(guó)原子能管理局首席執(zhí)行官I(mǎi)anChapman解釋說(shuō)：“聚變所產(chǎn)生中子的能量對(duì)聚變電廠第一壁和真空容器構(gòu)成嚴(yán)重挑戰(zhàn)，這意味著需要考慮輻射損傷、生物屏蔽、遠(yuǎn)程操作和安全等問(wèn)題。”

工程師的主要任務(wù)是開(kāi)發(fā)能夠承受高溫和反應(yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)中子注量的高性能材料。了解運(yùn)行條件對(duì)面向等離子體的部件的影響，對(duì)于未來(lái)的大型核聚變電廠也是至關(guān)重要的。

為極端情況而制造的材料

創(chuàng)造能夠承受中子降解的結(jié)構(gòu)性和面向等離子體的材料是研究人員的首要任務(wù)。這些材料需要安全特性，例如低中子誘導(dǎo)的放射性，以盡量減少放射性廢物的產(chǎn)生。然而，目前缺乏在其中可以測(cè)試輻射降解機(jī)制并在必要條件下開(kāi)發(fā)和鑒定材料的專門(mén)聚變輻照裝置。

國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)通過(guò)協(xié)調(diào)起草基準(zhǔn)材料測(cè)試技術(shù)的導(dǎo)則，并通過(guò)彌補(bǔ)設(shè)計(jì)聚變反應(yīng)堆材料和部件測(cè)試設(shè)施方面的知識(shí)差距，正在協(xié)助解決與聚變材料開(kāi)發(fā)和研究有關(guān)的問(wèn)題。

“ 在國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的支持下，2019年在克羅地亞魯?shù)隆げ┧箍凭S奇研究所安裝的雙束離子裝置等技術(shù)可以模擬材料在聚變反應(yīng)堆中所暴露的條件。這些條件包括產(chǎn)品嬗變和模擬高能聚變產(chǎn)生的中子和粒子產(chǎn)生的損害?！眹?guó)際原子能機(jī)構(gòu)物理和化學(xué)科學(xué)司司長(zhǎng)Melissa Denecke說(shuō)。

反應(yīng)堆中等離子體與反應(yīng)堆容器直接接觸的主要部件被稱為“偏濾器”，科學(xué)家和工程師正在研究其最佳構(gòu)型，以便它更好地處理所遇到的熱通量。他們還利用從各種輻照實(shí)驗(yàn)和模擬工具中獲得的知識(shí)和數(shù)據(jù)，為包括偏濾器在內(nèi)的所有容器內(nèi)部件開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證一個(gè)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)框架。

極熱排除

在大多數(shù)設(shè)計(jì)中，偏濾器位于反應(yīng)堆的最底部，氦“灰”等雜質(zhì)被偏濾到這里，偏濾器充當(dāng)聚變反應(yīng)堆的“排除管”，是任何過(guò)量熱量被引導(dǎo)到的地方。這種構(gòu)型有助于產(chǎn)生具有更好能量約束的“更純凈”的等離子體——這是核聚變裝置性能的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，確保等離子體在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持足夠的溫度，以便能夠發(fā)生持續(xù)的核聚變反應(yīng)。

在世界最大的聚變實(shí)驗(yàn)裝置ITER中，偏濾器將由54個(gè)“盒體”組成，每個(gè)盒體重達(dá)10噸。盒體所處的條件將非常苛刻；面對(duì)每平方米10～20兆瓦的穩(wěn)定熱通量，部件暴露在1000～2000攝氏度的溫度下，盒體將需要在裝置的壽期內(nèi)通過(guò)遙控操作至少更換一次。為了應(yīng)對(duì)極端的熱量和破壞性的粒子，面對(duì)等離子體的部件將用鎢裝備，這種材料既具有低氚吸收率，又是所有自然元素中熔化溫度最高的。

“盡管ITER的偏濾器設(shè)計(jì)從物理學(xué)和技術(shù)的角度反映了我們當(dāng)前認(rèn)識(shí)和能力的最新水平，但未來(lái)的核聚變電廠還需要進(jìn)一步的發(fā)展。了解這些是ITER項(xiàng)目的許多重要任務(wù)之一。”ITER組織實(shí)驗(yàn)和等離子體運(yùn)行處處長(zhǎng)Richard Pitts說(shuō)。

設(shè)計(jì)和建造未來(lái)的聚變反應(yīng)堆將取決于ITER和其他完善的多國(guó)協(xié)調(diào)研究和開(kāi)發(fā)活動(dòng)的技術(shù)、工藝和材料成果，但我們與核聚變動(dòng)力的未來(lái)之間的距離每天都在不斷縮小。