縮小核聚變的材料和技術差距

地球上最具挑戰性的科學和工程嘗試可以說是聚變。建造一座核聚變反應堆，實現自持反應，并將這種能量轉換為幾乎取之不盡的電力，將永遠改變人類和我們與能源的關系。盡管這聽起來很誘人，但進展并不容易或順利。圍繞支撐這種復雜裝置所需的結構、燃料和材料的技術挑戰仍然只得到部分解決。

了解當今聚變能源所面臨的技術限制和知識差距，首先要研究聚變反應堆本身。

在托卡馬克反應堆內，超高溫的電離氣體或“等離子體”被加熱到超過1億攝氏度，以誘發核聚變反應。在強大磁場的約束下，反應堆壁被保護起來，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，然后聚變產生氦和中子。在核聚變電廠中，工程師們希望通過尚未測試的鋰增殖區屏蔽層，對聚變產生的中子作出反應，“增殖”或創造更多的氚。

英國原子能管理局首席執行官IanChapman解釋說：“聚變所產生中子的能量對聚變電廠第一壁和真空容器構成嚴重挑戰，這意味著需要考慮輻射損傷、生物屏蔽、遠程操作和安全等問題。”

工程師的主要任務是開發能夠承受高溫和反應產生的強中子注量的高性能材料。了解運行條件對面向等離子體的部件的影響，對于未來的大型核聚變電廠也是至關重要的。

創造能夠承受中子降解的結構性和面向等離子體的材料是研究人員的首要任務。這些材料需要安全特性，例如低中子誘導的放射性，以盡量減少放射性廢物的產生。然而，目前缺乏在其中可以測試輻射降解機制并在必要條件下開發和鑒定材料的專門聚變輻照裝置。

國際原子能機構通過協調起草基準材料測試技術的導則，并通過彌補設計聚變反應堆材料和部件測試設施方面的知識差距，正在協助解決與聚變材料開發和研究有關的問題。

“ 在國際原子能機構的支持下，2019年在克羅地亞魯德·博斯科維奇研究所安裝的雙束離子裝置等技術可以模擬材料在聚變反應堆中所暴露的條件。這些條件包括產品嬗變和模擬高能聚變產生的中子和粒子產生的損害。”國際原子能機構物理和化學科學司司長Melissa Denecke說。

反應堆中等離子體與反應堆容器直接接觸的主要部件被稱為“偏濾器”，科學家和工程師正在研究其最佳構型，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驗和模擬工具中獲得的知識和數據，為包括偏濾器在內的所有容器內部件開發和驗證一個反應堆設計標準框架。

在大多數設計中，偏濾器位于反應堆的最底部，氦“灰”等雜質被偏濾到這里，偏濾器充當聚變反應堆的“排除管”，是任何過量熱量被引導到的地方。這種構型有助于產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關鍵參數，確保等離子體在足夠長的時間內保持足夠的溫度，以便能夠發生持續的核聚變反應。

在世界最大的聚變實驗裝置ITER中，偏濾器將由54個“盒體”組成，每個盒體重達10噸。盒體所處的條件將非常苛刻；面對每平方米10～20兆瓦的穩定熱通量，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通過遙控操作至少更換一次。為了應對極端的熱量和破壞性的粒子，面對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的偏濾器設計從物理學和技術的角度反映了我們當前認識和能力的最新水平，但未來的核聚變電廠還需要進一步的發展。了解這些是ITER項目的許多重要任務之一。”ITER組織實驗和等離子體運行處處長Richard Pitts說。

設計和建造未來的聚變反應堆將取決于ITER和其他完善的多國協調研究和開發活動的技術、工藝和材料成果，但我們與核聚變動力的未來之間的距離每天都在不斷縮小。