最好钢材是什么材质(中国造出的最牛第一壁材料，到底有多难？需要面对上亿度高温)

Posted 2023-05-29

篇首语：亦余心之所善兮，虽九死其犹未悔。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了最好钢材是什么材质(中国造出的最牛第一壁材料，到底有多难？需要面对上亿度高温)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

最好钢材是什么材质(中国造出的最牛第一壁材料，到底有多难？需要面对上亿度高温)

中国制造出了增强热负荷的第一壁材料，掌握了世界领先的第一壁材料制造技术。这个第一壁材料到底是干什么用的，它是怎样抵抗上亿摄氏度高温的呢？我是东城观星，跟大家聊聊核聚变的话题。

一、怎样实现可控核聚变

关于热核聚变设备不断取得突破的消息不断，人们都在大胆预测核聚变发电的时代快要到来了。其实仔细关注前面的报道，大家就会发现，那些突破虽然值得肯定，但距离真正实用还有很长的距离，因为那些所谓的突破都只能实现非常短时间的持续运行，基本上都是以秒为单位、甚至是以毫秒为单位的，能达到一分钟就已经是重大突破了。基本常识是，任何发电站都不可能在只能运行几分钟甚至几秒的情况下去供电的。很多保守估计，真正意义上的核聚变发电并网需要到2050年左右才能实现。

之所以很难实现可以持续应用的突破，最关键的问题就是材料还不过关。要知道，核聚变反应至少需要达到百万摄氏度以上，正常稳定运行需要达到一亿摄氏度以上。这样高的温度，地球上没有任何固态物质可以承受，任何物质在这个温度下，都会变成气态的等离子体。所以，实现核聚变不难，难的是怎样找到一个容器，这样的容器既要能让核聚变持续运行，也能把核聚变的能量给变成电能，还要能持续耐受核聚变反应产生的高温。

太阳是通过强大的引力来点燃和束缚核聚变反应的，但是人类不可能再造出一个迷你太阳来。因为要想能维持核聚变，就算是质量达到地球质量300多倍的木星都实现不了，必须达到木星质量的上百倍才行。所以生活在地球上的地球人，不可能在地球上制造出一个靠引力来维持的人造小太阳。

但是人类早在上个世纪已经造出了氢弹，那是利用核聚变反应的炸弹，也就是说地球人已经可以实现核聚变了。但是，氢弹的爆炸也就一瞬间，产生的能量除了造成破坏以外，很难被人类利用起来。人类真正想要的是一个能持续运行并发电的核聚变装置。

好在地球人足够聪明，想到了，除了引力还可以利用电磁力来束缚上亿摄氏度的等离子体，从而维持核聚变持续运行。但是，地球上可没有这么强的电磁力，只能通过人造设备来实现。只要是人造设备，必然使用地球上的固体物质，任何固体物质都无法承受上亿摄氏度的高温而不被熔化。地球上的固体物质能承受的最高温度，也不过三千多摄氏度。

好在人类设计的磁力设备可以隔空产生磁场，只要磁场够强，就可以让上亿摄氏度的等离子体不必接触任何固体物质就能被困在一定的范围内。所以只要装置设计的合理，设备的固体部分就不必承受上亿摄氏度的高温炙烤。这就好像太阳温度虽高，只要我们距离足够远，还是可以做到温度适宜的。

当然，凭借人类现有的技术水平，不可能做到固体装置和受控核聚变反应堆，达到行星距离太阳这样的距离。甚至距离依然很近，能到一两米就算非常理想了。就像太阳还有太阳风和热辐射一样，可控的核聚变装置也会释放热辐射和高温粒子风。核聚变反应跟核裂变反应的最大区别是，核聚变反应必须在高温高压下才能完成，而核裂变反应不需要那么高的温度，甚至在很低的温度下也可以进行，所以传统核电站的设备性能和核聚变反应堆还是不一样的。

人类设计的电磁设备，不管多么先进，也必然需要有直接靠近核反应堆的那一面，靠近核反应堆的那一面，就被称为第一壁。第一壁，就是需要直接面对核反应堆热辐射和高温粒子风的设备内壁。同时，为了能够利用核聚变反应来发电，还必须要把核聚变产生的热辐射和离子风给转变成电能才行，这个把热辐射和粒子风给转变成电能的设备也要有第一壁。这也是我们刚刚提到的，增强热负荷的第一壁材料。

二、第一壁材料面临哪些艰难险阻

核聚变设备的第一壁除了需要面对高温以外，还有什么困难吗？有，而且还不止一个。

首先，第一壁面对的热辐射可不是简简单单的红外线，而是以X射线为主的高能射线，这些射线是很容易破坏化学键的，从而破坏固体材料的结构，造成第一壁受损。

其次，第一壁需要面对的不是间歇性的太阳风，而是持续的粒子流。人造核聚变设备，不管磁性多么强，也都会有一些等离子体会跑到磁约束范围之外来。这些粒子流一旦撞上第一壁就会对第一壁产生一定的腐蚀。

同时，就像烧煤会产生煤灰一样，核聚变反应也会产生灰，只是这些灰不是煤灰，而是氦灰，也就是等离子状态的氦。这些氦必须不断从反应堆里面排出来，才能减少干扰，保证核聚变反应的持续进行。这些跑出来的等离子体，会有一个专门的磁场把它们吹掉，吹到一个接收装置。那里的第一壁除了需要消化它们的热量以外，还要能忍受它们的轰击，并想办法把杂质给排除掉，避免污染核反应堆。

第三，持续的粒子风具有很高的速度，它们撞到第一壁上，会有一定的机会把制造第一壁的原子给打出来，形成离子，这些离子有一定机会进入核反应堆，从而污染核反应堆。一旦污染物超标，就会造成核反应停止，甚至可能有等离子体反应堆崩溃等更严重的危害。

第四，未来的核聚变反应将使用氘氚核聚变，氘氚反应会产生中子，这些中子是不受磁场控制的，可以随意地撞击第一壁。中子撞击第一壁，有一定机会跟第一壁的原子发生核反应，这样的核反应会把一种原子变成另外一种原子，随着原子的核反应，第一壁的内部就会受到破坏，原来设计好的结构参数就会逐渐不再适合设计要求了。甚至有可能在内部形成气泡或者裂缝，进一步破坏材料的结构。

总之，核聚变反应设备的第一壁无时无刻不受到核反应堆的腐蚀和危害。如果第一壁材料不合格，能维持几秒就不错了。因此，你就会知道制造核聚变反应堆的第一壁材料有多困难了。

三、第一壁材料生产有多难

核聚变装置的第一壁，面对极其严峻的挑战，没有任何单一的材料能够承受住如此严峻的环境。

从耐受热环境来说，自然是熔点越高的物质越好。自然界中最耐热的物质当属碳了，只要没有氧气，碳材料可以耐受3500多摄氏度的高温，比钨的耐受温度还要高一百多摄氏度，同时一些碳材料的导热性能也很不错，有利于表面热量的导出。所以一些核聚变装置会选择用碳材料来制作第一壁。但是碳有一个很大的缺点，那就是吸收氢。

我们都知道核聚变的燃料主要是氘和氚，它俩都是氢的同位素，具有氢的化学性质。这两种物质的高温等离子体，一旦撞上碳材料，很容易被碳给吸收掉，除了有吸附作用以外，还有化学作用，把碳变成有机物。一方面会改变材料的性质，影响第一壁性能的发挥，另一方面，也会消耗核聚变的燃料，降低核聚变的效率，尤其是对于昂贵且具有放射性的氚元素的吸收，是我们很不希望看到的。

除了碳，最能耐受高温的莫过于钨了，也就是以前制造白炽灯灯丝的那种金属，它也可以耐受3400多摄氏度的高温，所以钨金属在核聚变装置中应用还是比较多的。但是钨金属也有自己的缺点，首先是冶炼和加工难度比较大。早在爱迪生那个年代，人们就已经知道钨的熔点很高了，但钨丝灯出来的时间却并不早，就是因为钨的冶炼和加工难度比较大。对于核聚变装置的第一壁材料来说，只有钨金属是不够的，可谓是孤掌难鸣。最外层必须要有保护层，内层还要有导热性能非常好的金属制造管道，通过水或者液氦把热量给带走。那些导热性比较好的金属就是铜合金或者特殊的钢材，因为钨和这些材料的性质差别很大，想要把它们焊接在一起，是非常困难的。核聚变第一壁制造需要用一些先进的焊接技术。

再说说内层需要保护的事。钨来做第一壁材料，虽然很不错，但是面对辐射和粒子撞击，还是会有很大的损伤。尤其是最外层的钨有可能被撞击出去，形成钨离子。这些钨离子有一定机会进入到反应堆的等离子体流中。这些钨离子对于等离子体束来说是剧毒的，稍微多一些就有可能造成等离子体束破裂，产生安全事故。

为什么这么严重呢，我们可以打一个比方。在两车道的高速公路上，如果不限制大车行走的车道，大车可以随意行走，而小车又不能减速避让，会发生什么情况呢？肯定是非常严重的交通事故。钨离子在等离子流里面，就是载重特别大的大货车，速度慢，重量还大，别的离子遇到它们，就会被撞飞。撞飞的等离子体会跑出主车道，撞向第一壁。而且，一旦像钨一样的重离子稍微多一些，就有可能造成严重的等离子体车祸，造成等离子体束破裂，从而把热量瞬间传递给第一壁，造成烧毁甚至爆炸的事故。

怎样预防这样的事故发生呢？采用表面涂层技术。给钨的表面涂上铍金属，或者锂金属这样的小原子量物质。这些物质，虽然也防不住粒子撞击，但可以在撞击后产生小原子量的等离子体，跟燃料的原子量差异不太大，这样就可以明显减少等离子体交通事故的发生了。

同时，钨金属还要面对中子辐射这样的严酷环境，很容易造成内部损伤。此外，第一壁还要面临真空清洗，不停机更新涂层等相关技术的研发，着实是非常高科技的材料，可不是随便整一块钨金属就可以解决的。

当然关于第一壁需要介绍的还有很多，我们先介绍这么多吧。以后有机会再说。

我是东城观星，感谢大家的订阅与关注。