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邁向能源自由,我國造出超級鎢,具有高韌性,聚變堆補上關鍵材料

來源:hao123百家號     時間:2022-03-06 11:15:33

核聚變作為人類進入一級文明的門檻,承載著全人類的重大希望,一旦成功標志著人類進入能源自由階段。

太陽不用考慮核聚變產(chǎn)生的后果,但是人類可控核聚變必須考慮各種問題。這里面有理論問題,有工程問題,還有防護材料的問題。

可控核聚變難度極大,每一個突破都值得歡呼。

中國科學院合肥物理研究所吳學邦研究員帶領的團隊,已經(jīng)研制出一種鎢做成的超級材料,可用于可控核聚變的內(nèi)壁防護。

相關成果已在國際頂級學術期刊上發(fā)表。

▍為什么人工核聚變實現(xiàn)很難?

人工核聚變之所以耗盡人類科學家的智力,就是因為沒有辦法完全模擬太陽核聚變的所有條件。

太陽內(nèi)部的核聚變可以直接從氫原子(質(zhì)子)開始,但是所有的過程都是兩個原子核相互碰撞,這個過程有很多條路徑可以完成,被稱作質(zhì)子鏈,最終形成氦。

原子核都帶正電,之間相互碰撞,聚變形成新的原子核,要克服相互接近時巨大的庫侖斥力。

而且在融合發(fā)生的瞬間,需要依靠量子力學里面的隧道效應。

隧道效應,簡單的說就是兩個有一定距離的原子核突然一跳,然后碰在一起。因為穿越了中間這個距離,所以被稱為隧道效應。而且,隧道效應是物理學中唯一允許超光速的。

影響隧道效應的有兩個因素,一個是溫度,一個就是壓力。壓力決定物質(zhì)密度,也就是原子核之間的距離,溫度決定原子核發(fā)生隧道效應的概率。

如果物質(zhì)密度大,原子核靠的近,那么溫度可以低一點,反之溫度就得提高。

太陽內(nèi)部有3000億個大氣壓,物質(zhì)的密度高達100噸每立方米。

但是在地球上做不到如此高的壓力,在核聚變堆里面的等離子體的密度幾乎跟真空差不多。

這就要求必須把聚變點火的溫度提高到極高。

太陽內(nèi)部的溫度是1500萬攝氏度,已經(jīng)燒了50億年。2021年,我國的核聚變裝置在1.6億度運行了20秒,已經(jīng)代表世界紀錄了。

商業(yè)發(fā)電的前提是,輸入的能量要小于輸出的能量,這要求核聚變等離子體的溫度要超過5億度。

溫度越高,對磁約束的要求也越高,同時對熱防護材料的要求也越高。

如果說提高磁場強度和反應溫度都屬于物理學上的程序性問題,那么反應堆的制造材料就是一個硬問題,這個問題也很關鍵。

▍研制聚變反應堆的防護材料是巨大挑戰(zhàn)。

我們看到的中國的托卡馬克裝置以及國外的聚變堆裝置,外殼跟管道都是銀光閃閃的,因為這些材料都是不銹鋼。

不銹鋼強度高,耐高溫、耐腐蝕,所以才用來制造托卡馬克裝置的主體工程,但是在反應堆的內(nèi)部面向高溫等離子體的防護材料,連不銹鋼都扛不住。

束縛高溫等離子體的磁約束不是一個硬的約束,所以會被一些高溫離子穿透,其中帶電粒子會被導入一個偏流器。

剩下的光輻射和其他的粒子就要直接打在反應堆的內(nèi)壁上,其中光輻射的功率大概占了60%。

而且,聚變高溫等離子體是一種不穩(wěn)定流體,屬于湍流,有的時候會突然加速形成類似太陽表面噴出來的耀斑。

這個時候功率就會出現(xiàn)一個峰值,瞬間打在防護壁上的輻射能量就要大很多,對熱防護性能要求非常高。

地球上所有耐高溫的材料中,鎢的性能是最好的,熔點高達3410度。

而且鎢具有很高的強度,當1600度的時候,鋼鐵已經(jīng)融化成鐵水了,鎢反而具有很高的抗拉強度。

但是鎢也有一個非常大的缺點,就是太脆了,延展性不好。所以現(xiàn)在的鎢材料要么就是作為其他高溫合金的添加劑,要么就是作為配重材料,或者做高速穿甲彈。

我國是世界上鎢最大生產(chǎn)國,每年產(chǎn)出占全球的80%,而且我國鎢礦非常優(yōu)質(zhì),含雜質(zhì)極少。

改善鎢的力學性能就可以極大地拓展這種材料的用途,這其中的關鍵就是要讓鎢材料變得更有彈性。

中國科學家把鎢粉末加熱到2000度,再使用鍛打的方法,使鎢的結(jié)晶體變小,呈片狀堆積分布,極大的增加了鎢的延展性和韌性。

如果用這種材料作為核聚變堆內(nèi)壁防熱層,可以極大的延長反應堆的壽命,把原來材料幾個月的壽命延長到幾年甚至幾十年。

因為現(xiàn)在這個托卡馬克裝置它放電的時間太短,所以材料的壽命長短感覺影響不大,但是一旦進入商業(yè)化應用階段,材料的壽命是必須突破的,現(xiàn)在這個材料可以說已經(jīng)提前準備好了。

▍托卡馬克裝置如此難搞,有沒有什么比較好的替代方案?

曾經(jīng)有一種設想,就是制造一個內(nèi)徑是80米,重10萬噸的空心鋼球。

在鋼球的中間,每10秒鐘爆炸一顆80噸TNT當量的氫彈,把脈沖能量轉(zhuǎn)化為熱能,燒開水驅(qū)動蒸汽輪機。

但是這個方案仍然面臨著瞬間超強輻射難題,所以對內(nèi)表面的防護材料要求也是很高的。

以上是最簡單粗暴的方案,計算以后發(fā)現(xiàn)效率并不高,實用化難度很大。

托卡馬克裝置內(nèi)部沒有辦法實現(xiàn)像太陽那樣的高壓,所以沒有辦法拉近原子核的距離,只能一味的增加溫度。

現(xiàn)在有些科學家在搞所謂的冷聚變,就是通過拉近原子核之間的距離,使反應溫度降低。拉近原子核距離的方法有很多,典型的方法就是把氫原子核擠進一個晶體的晶格中。

這種方法理論上可以讓核聚變在1000度之內(nèi)就產(chǎn)生,但是由于晶格間距是固定的無法調(diào)節(jié),所以反應效率極低。而且反應堆芯的功率不能做大,否則導致晶體融化。

綜上所述,托卡馬克裝置是核聚變唯一有前途,值得投入的裝置。谷歌現(xiàn)在已經(jīng)開始用AI來控制托卡馬克裝置中的磁約束,可以極大提高核聚變的穩(wěn)定性。

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