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

太陽(yáng)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(wèn)題。這里面有理論問(wèn)題，有工程問(wèn)題，還有防護(hù)材料的問(wèn)題。

可控核聚變難度極大，每一個(gè)突破都值得歡呼。

中國(guó)科學(xué)院合肥物理研究所吳學(xué)邦研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)研制出一種鎢做成的超級(jí)材料，可用于可控核聚變的內(nèi)壁防護(hù)。

相關(guān)成果已在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表。

▍為什么人工核聚變實(shí)現(xiàn)很難？

人工核聚變之所以耗盡人類科學(xué)家的智力，就是因?yàn)闆](méi)有辦法完全模擬太陽(yáng)核聚變的所有條件。

太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變可以直接從氫原子（質(zhì)子）開(kāi)始，但是所有的過(guò)程都是兩個(gè)原子核相互碰撞，這個(gè)過(guò)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(shí)巨大的庫(kù)侖斥力。

而且在融合發(fā)生的瞬間，需要依靠量子力學(xué)里面的隧道效應(yīng)。

隧道效應(yīng)，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是兩個(gè)有一定距離的原子核突然一跳，然后碰在一起。因?yàn)榇┰搅酥虚g這個(gè)距離，所以被稱為隧道效應(yīng)。而且，隧道效應(yīng)是物理學(xué)中唯一允許超光速的。

影響隧道效應(yīng)的有兩個(gè)因素，一個(gè)是溫度，一個(gè)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(yīng)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(diǎn)，反之溫度就得提高。

太陽(yáng)內(nèi)部有3000億個(gè)大氣壓，物質(zhì)的密度高達(dá)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(diǎn)火的溫度提高到極高。

太陽(yáng)內(nèi)部的溫度是1500萬(wàn)攝氏度，已經(jīng)燒了50億年。2021年，我國(guó)的核聚變裝置在1.6億度運(yùn)行了20秒，已經(jīng)代表世界紀(jì)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(guò)5億度。

溫度越高，對(duì)磁約束的要求也越高，同時(shí)對(duì)熱防護(hù)材料的要求也越高。

如果說(shuō)提高磁場(chǎng)強(qiáng)度和反應(yīng)溫度都屬于物理學(xué)上的程序性問(wèn)題，那么反應(yīng)堆的制造材料就是一個(gè)硬問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題也很關(guān)鍵。

▍研制聚變反應(yīng)堆的防護(hù)材料是巨大挑戰(zhàn)。

我們看到的中國(guó)的托卡馬克裝置以及國(guó)外的聚變堆裝置，外殼跟管道都是銀光閃閃的，因?yàn)檫@些材料都是不銹鋼。

不銹鋼強(qiáng)度高，耐高溫、耐腐蝕，所以才用來(lái)制造托卡馬克裝置的主體工程，但是在反應(yīng)堆的內(nèi)部面向高溫等離子體的防護(hù)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(gè)硬的約束，所以會(huì)被一些高溫離子穿透，其中帶電粒子會(huì)被導(dǎo)入一個(gè)偏流器。

剩下的光輻射和其他的粒子就要直接打在反應(yīng)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(shí)候會(huì)突然加速形成類似太陽(yáng)表面噴出來(lái)的耀斑。

這個(gè)時(shí)候功率就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，瞬間打在防護(hù)壁上的輻射能量就要大很多，對(duì)熱防護(hù)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(diǎn)高達(dá)3410度。

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

但是鎢也有一個(gè)非常大的缺點(diǎn)，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(guó)是世界上鎢最大生產(chǎn)國(guó)，每年產(chǎn)出占全球的80%，而且我國(guó)鎢礦非常優(yōu)質(zhì)，含雜質(zhì)極少。

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

中國(guó)科學(xué)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(zhǎng)反應(yīng)堆的壽命，把原來(lái)材料幾個(gè)月的壽命延長(zhǎng)到幾年甚至幾十年。

因?yàn)楝F(xiàn)在這個(gè)托卡馬克裝置它放電的時(shí)間太短，所以材料的壽命長(zhǎng)短感覺(jué)影響不大，但是一旦進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段，材料的壽命是必須突破的，現(xiàn)在這個(gè)材料可以說(shuō)已經(jīng)提前準(zhǔn)備好了。

▍托卡馬克裝置如此難搞，有沒(méi)有什么比較好的替代方案？

曾經(jīng)有一種設(shè)想，就是制造一個(gè)內(nèi)徑是80米，重10萬(wàn)噸的空心鋼球。

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

但是這個(gè)方案仍然面臨著瞬間超強(qiáng)輻射難題，所以對(duì)內(nèi)表面的防護(hù)材料要求也是很高的。

以上是最簡(jiǎn)單粗暴的方案，計(jì)算以后發(fā)現(xiàn)效率并不高，實(shí)用化難度很大。

托卡馬克裝置內(nèi)部沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)像太陽(yáng)那樣的高壓，所以沒(méi)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(xué)家在搞所謂的冷聚變，就是通過(guò)拉近原子核之間的距離，使反應(yīng)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(jìn)一個(gè)晶體的晶格中。

這種方法理論上可以讓核聚變?cè)?000度之內(nèi)就產(chǎn)生，但是由于晶格間距是固定的無(wú)法調(diào)節(jié)，所以反應(yīng)效率極低。而且反應(yīng)堆芯的功率不能做大，否則導(dǎo)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(kāi)始用AI來(lái)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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