核聚变的主要难点之一为什么是材料？
刚刚看了 @小侯飞氘 的回答，深表赞同。我本人是研究聚变堆第一壁结构材料的，这里我就从材料设计上的观点上略微说一下我的看法吧。 材料问题，我的关注点在包层这块，大体上就是这样的机构[1]不过今天我们主要不说这个，我们说材料设计的问题。 聚变堆（本文特指D-T聚变）辐照损伤，最容易想到的就是聚变中子直接轰击材料带来的损伤。这类轰击可以直接将材料中的原子撞出晶格，产生大量的空位和间隙原子。在继续说明之前我们需要先科普一个概念来说明辐照损伤有多强： 辐照损伤的计量单位通常为dpa（displacement per atom），即表示平均材料中每个原子被撞出的次数。现有的快堆中，材料需要承受超过100dpa的辐照损伤量，聚变堆则要求更高。这是一个很恐怖的概念，100dpa意味着材料中平均每个原子会被撞出晶格100次。即使是用于实验目的的工程实验堆，以中国CFETR设计来说一期工程要达到10dpa（预计21世纪20年代），二期要超过50dpa（预计21世纪30年代）。[1] 显然，材料中肯定存在某种缺陷回复机制，否则100dpa之后晶格将不复存在，这与实验结果是完全相悖的。现有实验条件有了很大的改善，高dpa实验不再是梦想，至少现有结论表明800 dpa的辐照损伤不可能完全摧毁晶格[2]。 实际上，材料中被轰击产生的空位和间隙原子绝大部分会相互弥合，就好像什么都没有发生过那样。但问题就在于少数没有弥合的缺陷，他们相互聚集成为位错和空洞。前者，会导致材料强硬化；后者会导致材料肿胀。给大家放几张图吧 纯铜中产生的大量空洞（因为是He离子辐照的），大家可以想想一下如此高密度的空洞会导致材料肿胀成什么样子，这个实验是离子辐照代替的中子辐照，dpa峰值才6左右。[3] 中子辐照下9Cr2W低活化钢中的的位错环，注意这个是低活化钢，专门设计用在辐照环境下的，但是dpa只有大约0.1[4] 大家可以想象一下dpa升高到上百倍是什么结果......所以，必须基于辐照损伤去进行新材料设计。渐渐地大家已经发现了一下规律： 仅仅考虑辐照损伤层面，大体上只能有bcc和hcp的金属可以使用，其他短时间内都没有应用的前景。这已经让材料学家们抓狂了，不过幸好Fe这个神器（可以）是bcc的，看起来还没那么糟。然鹅......这才是冰山一角。 聚变堆目前的规划中对结构材料的高温性能要求不一，但是基于最基本的热机原理，工作温度越高反应堆的热效率越高。而限制工作温度的主要因素就是材料的高温力学性能。 对于绝大多数材料来说，不是在达到熔点才不能使用的。在远低于熔点时材料就会发生软化从而丧失力学性能；在更低的温度，如果有载荷的作用（结构材料本来就是承担载荷的，所以载荷不可避免）就会发生蠕变，从而逐渐变形。因此，材料必须具备较高的高温力学性能，尤其是抗蠕变的能力。 不过还好，材料学家们对抗蠕变材料的研究早就已经起步了，所以相关理论和合金都还算有储备。我们有很多合金元素可以用来提高抗蠕变能力，还有ODS化这个神器，另外就是还有V合金这样天生高温性能好的材料。 除了蠕变外，还有一个重要因素就是DBTT（韧脆转变温度）。如果DBTT太高了，材料将会长期处于脆性状态，这是很危险的一件事。所以在材料学家们各种骚操作提高高温性能的时候还要兼顾DBTT这个东西。毕竟，大部分能提高高温强度和抗蠕变能力的操作......额，都会让DBTT升高 看起来似乎只要节制一下，解决高温问题还是很有希望的。  ......天真 要知道这个材料是在反应堆里的，还是中子能量高达14MeV的聚变堆。如此高能量的中子轰击原子时除了会将原子撞出晶格外，还会导致一些列的中子核反应。结果是什么呢？可能会产生大量的放射性核素。 这就要了命了，要知道反应堆也是要维护检修和退役的，结构材料全变放射性的了这还让人活不。所以科学家们只能把可以选用的元素进行一下限制，这些被活化后放射性产物半衰期短的元素就是低活化元素。设计目标很明确，停堆个几个月放射性就很低了就行，这样处理成本就低很多了。 看上去还是很美好吧。但是等材料学家们看到所谓的低活化元素表的时候，直接就炸了，他其中的一个版本长这样[5]： 能给材料学家们放手无限制使用的元素只有22个，就是上图汇总蓝色的区域。能做合金基体的只有Be、V、Fe......没了就算考虑到W铠甲再把W加上那也没几个可选的。 比较可怕的是紫色和红色区域的元素，这些都是要在合金中尽可能控制的，其中红色的格式要以ppm级别去控制。为啥，因为这堆家伙家伙的活化产物可能需要上万年时间来逐渐衰变。材料学家们都要哭了，看看这都是什么元素：Mo、Al、绝大部分稀土、Ni、Nb、Hf、Co......大部分钢中的合金元素都毙掉了 所以，以低活化元素做成的低活化钢的力学性能实际上要比普通马氏体刚差得远，没办法，一些必要的元素必须替换成低活化的。这也导致了低活化钢比如RAFM（低活化铁素体马氏体钢）的性能总是不那么令人满意。 材料学家们表示我不慌，我一点也不慌，我们还有一个大招叫ODS化。通过弥散在合金基体中的ODS小颗粒，我们可以提高材料的强度、抗蠕变、抗辐照。似乎一切都大有可为啊。 很快冶金学家们就找上门来了，“谁给的材料设计，你给我出来！” 这是由于传统的ODS钢必须要使用粉末冶金的方法去制造，且不说成本要高得多，粉末冶金法目前还是没法制备大尺寸部件，虽然搞粉末的材料学家很努力的在试图用喷射成型、3D打印等方法解决这个问题，但目前还有待进一步发展。（这里说个题外话，貌似某钢的喷射成型已经能做到5~10吨级了，计划好像是500吨级，如果这个问题能解决，那搞粉末的估计会笑醒，诸君加油吧。） 部分材料学家们只能另辟蹊径去搞ODS钢的熔炼法制备，当然我本人是持悲观态度的。目前见诸报道的文献中并未有突破性的制备技术、而熔炼法做出的性能实在是太烂，ODS相也大的离谱。 不管怎么说，似乎冶金上的问题还是有希望解决的。 “谁设计的材料你给我出来！”，搞加工的又来了，“你给我所ODS钢你让我们怎么焊接，你存心难为我是不是！” 刚刚我们说过ODS钢中大量的弥散相提高了材料的性能，但是问题也就来了。如果焊接的话，局部熔化再重新凝固，ODS相会在重力和固液界面张力的作用下严重偏析......焊接似乎不太可行。实际上早在粉末冶金诞生的时候材料学家们就知道这个问题了，这也是为什么ODS合金使用粉末冶金生产的缘故。 既然生产可以使用粉末冶金这样的纯固相烧结机制，那焊接能不能呢？当然也是可以的，比如搅拌摩擦焊和爆炸焊等。还可以捎带解决一下异种金属的焊接问题。 其实还有另一个思路，就是充分发挥粉末冶金的特色，一体化直接成形。只不过现阶段材料性能都不太过关，一体化成形这个思路只能往后排了。 除了高能量的中子外，聚变堆内大量的D、T、He也会不断轰击材料的表面。这些离子的能量要比中子低得多，似乎威胁不大。但很不幸，你还记得中子轰击产生的空位吗？这些离子会合空位复合形成He-空位复合体这样类似的东西，不断聚集从而产生大量的气泡。这个问题是裂变堆中不曾出现的问题，会极大的加速材料的失效过程...... 更可怕的在于聚变堆中的氚是通过中子核反应的方式自持的，比如和Li反应（之前错记成B了，年纪大了脑子不管用了）。所以氚增值系数不能太小，太小的话氚就越用越少，反应无法持续进行，类似链式反应那样。但是你材料把氚都给我留在空洞里了，反应凉了啊！这个问题就是氚自持的问题，是和材料并列的聚变堆三大问题之一。 由于辐照过程的特殊性，辐照时材料总的空位和间隙原子浓度都是远远超过饱和浓度的，所以会产生极大的影响。比如正常状况下稳定的ODS相可能会在辐照过程中变得不稳定，如果ODS相不稳定了......那么ODS钢的性能......材料学家们不敢想了 此外就是由于辐照过程这个异常的不平衡态的存在，可能会在材料中形成大量非平衡态析出物，结果就是材料可能因此发生致命的性能退化。比如某些钒合金在辐照后表现出了超过100%的辐照硬化率，这简直就是骇人听闻了（作者见到过超过700%的硬化率，真是......无语）。 我们把上面的问题穿起来：聚变堆用的结构材料必须能对抗100dpa甚至更高的辐照损伤，具有很低的中子活化（意思就是你只能用三分之一个元素周期表），抵抗近500℃的高温，具有极小的D、T、He滞留，要能良好的焊接和制备，不能因为辐照诱导析出物出现大幅度的性能退化......可以预见的未来内其实这些问题都不好解决，更别提一起解决了......这真不是材料学家的锅，实在是BOSS太强推不动啊 这里面很大的问题其实是物理问题，所以要求设计辐照材料的人是一个懂材料的物理学家或者一个懂物理的材料学家......讲真，这样的人不好找，更别提一个队伍了。 除了上面材料设计问题外，实验问题也尤为突出： 现在根本没有14MeV中子的辐射平台，所以只能拿裂变堆去实验......实验过程需要很长时间来积累dpa，然后样品出堆后还要埋起来，不然剂量太高不能操作。实验人员操作中子辐照后的样品还需要考虑自身的安全性，毕竟都是要吃剂量的。 这里还要说一个行业内的梗，在辐照领域中子辐照后的样品称为hot样品，做中子辐照后样品的实验室被称为热室。据说某位长者说（我并没有试过啊），hot样品用手抹起来有热的感觉所以叫hot。对应的，没辐照的就叫cold样品。曾经有一次投稿的时候审稿人要我解释hot和cold什么意思，老板当即表示怼他，这都不知道都敢审中子辐照的稿...哈哈哈 除了中子辐照外，离子辐照和电子辐照是更常用的手段。离子辐照只需要一个离子注入机或者粒子加速器就能进行，相对中子辐照成本低而且没有放射性。问题是高能离子和高能中子的碰撞机理不一样，离子辐照只能穿透1~3μm后的样品，做宏观测试很麻烦，而且很多文献已经表明离子辐照和中子辐照的偏差很大。 电子辐照是利用超高压电镜，用高能电子去轰击材料。好处是实验是原位的，而且可以很方便的改变温度和剂量，所见即所得。问题是电子能量不够高，世界最强高压电镜才3MeV的电子，大部分都是1~1.3Mev。此外，高压电镜太少，国能更是一台能用的都没有，做实验只能出国。 所以，除了材料设计问题外，做实验都是很麻烦的事情。一个博士生整个在读期间都不一定够做一次中子辐照的......电子辐照虽然快点，但是预约是个大麻烦。最便宜的离子辐照，做一次也是按万收费......所以时间和钱都是大问题。