中国制造出了世界领先的第一壁材料制造技术

我国制造了第一种增强热负荷的墙体材料，掌握了世界领先的第一种墙体材料制造技术。第一种墙体材料是做什么用的，它如何抵抗数亿摄氏度的高温？我是东城观星，我和你谈核聚变。

1. 如何实现可控核聚变

关于热核聚变设备突破的讨论很多，人们大胆地预测聚变发电时代即将到来。其实，如果仔细看之前的报道，就会发现，那些突破虽然值得肯定，但要真正做到实用，还有很长的路要走，因为那些所谓的突破，只能实现很短的连续运行时间，基本上在秒内，甚至毫秒，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几分钟甚至几秒钟内供电。许多保守的估计表明，聚变发电需要2050年左右才能真正并入电网。

难以实现可持续应用的突破的最关键原因是材料达不到标准。要知道核聚变反应至少需要达到100万摄氏度，正常稳定运行需要达到1亿摄氏度以上。在如此高的温度下，地球上没有任何固体物质可以承受它，任何处于这个温度的物质都会变成气态等离子体。因此，实现核聚变并不难，但难的是如何找到一个既能保持核聚变运行，又能将核聚变能量转化为电能，并能持续承受核聚变反应产生的高温的容器。

太阳通过强大的引力点燃并结合聚变反应，但人类不可能创造一个迷你太阳。因为为了维持核聚变，就算是质量是地球质量300多倍的木星，也无法实现，必须达到几百倍的质量。因此，生活在地球上的地球人不可能在地球上创造一个由重力维持的小人造太阳。

但人类在上个世纪就已经制造出了氢弹，这是一种利用核聚变反应的炸弹，这意味着地球人已经可以实现核聚变了。然而，氢弹的爆炸只是瞬间的，产生的能量除了造成伤害外，很难被人类使用。人类真正想要的是一种可以连续运行并发电的核聚变装置。

幸运的是，地球人足够聪明，他们认为除了重力之外，电磁力还可以用来在数亿摄氏度的温度下结合等离子体，从而保持核聚变的运行。然而，地球上没有这么强的电磁力，只能通过人工设备来实现。只要是人造装置，就必须利用地球上的固体物质，任何固体物质都无法承受亿万摄氏度的高温而不被熔化。地球上的固体物质所能承受的最高温度只有3000多摄氏度。

幸运的是，人类设计的磁性装置可以在空气中产生磁场，只要磁场足够强，就可以在不接触任何固体物质的情况下将数亿摄氏度的等离子体困在一定范围内。因此，只要设备设计得当，设备的固体部分就不必承受上亿摄氏度的高温。这就像太阳很热，但只要我们离得足够远，我们仍然可以达到合适的温度。

当然，以人类目前的技术水平，不可能在距离太阳很远的地方实现固体装置和受控核聚变反应堆。即使距离仍然很近，能够达到一两米也是理想的。正如太有太阳风和热辐射一样，受控核聚变装置也会释放热辐射和高温粒子风。核聚变反应与核裂变反应最大的区别在于，核聚变反应必须在高温高压下完成，而核裂变反应不需要这么高的温度，甚至可以在非常低的温度下进行，因此传统核电站的设备性能与核聚变反应堆相比还是有区别的。

人类设计的电磁设备，无论多么先进，也必须有直接靠近核反应堆的一面，而靠近核反应堆的一面称为第一面墙。第一壁是设备的内壁，需要直接面对核反应堆的热辐射和高温粒子的风。同时，为了能够利用核聚变反应发电，还需要将核聚变产生的热辐射和离子风转化为电能。这也是我们刚才提到的第一种墙体材料，增强了热负荷。

二、第一种墙体材料面临哪些困难和障碍

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核聚变设施的第一面墙除了需要面对高温之外，还有什么困难吗？是的，而且不止一个。

首先，第一壁面临的热辐射不是简单的红外线，而是以X射线为主的高能射线，很容易破坏化学键，从而破坏固体材料的结构，对第一壁造成破坏。

其次，第一堵墙不必处理间歇性的太阳风，而是连续的粒子流。人造核聚变设备，无论磁性如何，也会有一些等离子体在磁约束范围之外运行。一旦这些粒子流撞击第一面墙，它们就会对第一面墙造成一些腐蚀。

同时，正如燃煤产生煤灰一样，核聚变反应也会产生灰烬，只不过这种灰烬不是煤灰，而是氦灰，即等离子体态的氦。这种氦气必须不断从反应堆中排出，以减少干扰并确保聚变反应继续进行。从中出来的等离子体将具有特殊的磁场，可以将其吹走并将其吹到接收设备。除了消化它们的热量外，那里的第一堵墙还必须能够承受它们的轰击，并找到一种去除杂质并避免污染核反应堆的方法。

第三，连续粒子风具有非常高的速度，当它们撞击第一壁时，将有一定的几率敲除构成第一壁的原子并形成离子，这些离子有一定的几率进入核反应堆，从而污染核反应堆。如果污染物超标，核反应可以停止，甚至会发生等离子体反应堆倒塌等更严重的危害。

第四，未来的核聚变反应将使用氘氚核聚变，这种核聚变产生的中子不受磁场控制，可以随意撞击第一面墙。中子撞击第一壁，有一定的几率与第一壁的原子发生核反应，这样的核反应会将一个原子变成另一个原子，随着原子的核反应，第一壁的内部将被破坏，原来设计的结构参数将逐渐不再符合设计要求。甚至可能在内部形成气泡或裂缝，进一步破坏材料的结构。

总之，核聚变反应装置的第一面墙不会一直受到核反应堆的腐蚀和伤害。如果第一种墙体材料不符合标准，最好持续几秒钟。因此，您就会知道为聚变反应堆制造第一种壁材料是多么困难。

3、生产第一种墙体材料有多难

聚变装置的第一壁面临着极其严峻的挑战，没有一种材料可以承受如此恶劣的环境。

在耐热性方面，物质的熔点越高越好。只要没有氧气，碳材料就可以承受3500摄氏度以上的高温，比钨的耐温高出100多摄氏度，而且一些碳材料的导热系数也非常好，有利于表面热量的输出。因此，一些核聚变装置会选择使用碳材料来制作第一堵墙。但是碳有一个很大的缺点，那就是对氢的吸收。

我们都知道，核聚变的燃料主要是氘和氚，两者都是氢的同位素，具有氢的化学性质。这两种物质的高温等离子体，一旦碰到碳材料，就很容易被碳吸收，除了吸附作用外，还有将碳变成有机物的化学作用。一方面会改变材料的性能，影响第一壁的性能，另一方面也会消耗核聚变的燃料，降低核聚变的效率，特别是对于吸收昂贵的放射性氚，这是非常不可取的。

除了碳之外，最耐高温的是钨，也就是用来制造白炽灯丝的那种金属，还可以承受3400多摄氏度的高温，所以钨金属仍然被用于核聚变装置。但是，钨金属也有其自身的缺点，首先，它难以冶炼和加工。早在爱迪生的时代，人们就已经知道钨的熔点很高，但钨灯并没有早早出来，因为钨的冶炼和加工比较困难。对于核聚变装置的第一壁材料，仅靠钨金属是不够的。最外层必须有保护层，内层必须有导热系数非常好的金属管，通过水或液氦带走热量。那些导热性好的金属是铜合金或特种钢，因为钨和这些材料的性能差别很大，很难将它们焊接在一起。核聚变第一面墙的制造需要一些先进的焊接技术。

我们来谈谈需要保护的内层。钨作为第一墙体材料，虽然很好，但是面对辐射和颗粒物的冲击，还是会有很大的破坏。特别是，钨的最外层可以被敲出并形成钨离子。这些钨离子有机会进入反应堆的等离子体流。这些钨离子对等离子束有剧毒，再多一点可能会导致等离子束破裂，造成安全事故。

为什么这么严重，我们可以打个比方。在双车道高速公路上，如果对大型车可以行走的车道没有限制，大型车可以随意行走，小型车不能减速和避让，会发生什么？等离子体流中含有钨离子，等离子体流是载荷特别大的大卡车，速度慢而重，其他离子遇到它们就会被撞开。坠入空中的等离子体从主车道跑出并撞到第一堵墙上。此外，如果钨等重离子稍微多一点，可能会造成严重的等离子体事故，导致等离子束破裂，从而瞬间将热量传递到第一壁，造成燃烧甚至爆炸的事故。

如何防止此类事故的发生？钨的表面涂有铍金属，或小原子量物质，如锂金属。这些物质虽然不能防止颗粒撞击，但撞击后可以产生原子量小的等离子体，与燃料的原子量相差不大，从而可以大大减少等离子体交通事故的发生。

同时，钨金属还必须面对中子辐射的恶劣环境，这很容易造成内部损伤。此外，第一面墙面还要面对真空清洗、不断更新的涂层等相关技术的研发，确实是一种非常高科技的材料，不能仅靠一整块钨金属来解决。

当然，关于第一面墙还有很多要介绍的，所以让我们先介绍这么多。我以后有机会再谈。