材料力学是这样来助力可持续核聚变发展的

屈丹丹

自古以来，对太阳的崇拜遍布所有文明，但古人对太阳发光、发热的原因却不得而知。直到1938年，美国物理学家汉斯·贝特（Hans Albrecht Bethe）才发现了太阳的能量来自于核聚变，他因此获得了1967年诺贝尔物理学奖。现在，科学家告诉我们：在太阳中心，氢原子可以在约1500万度的高温下和2000亿个大气压的高压下聚变生成氦原子，并释放出大量的能量。但是，如此苛刻的条件，在地球上要如何才能实现呢？人类摸索了很多年，直到氢弹的诞生。

中国科学家通过不懈努力，历经艰辛，自主实现了在引爆原子弹产生的高温高压环境下，引发核聚变，从而先后在1966年12月28日成功完成了氢弹的原理性地面试验和1967年6月17日成功完成了第一颗氢弹爆炸的空中试验。让我们也拥有了“人造太阳”的潜在能力。中国科学院力学研究所作为近代力学的中坚力量，在我国“两弹一星”事业中也做出了贡献。特别是，曾任力学研究所常务副所长的郭永怀先生是中国研制原子弹、氢弹的领军人之一，被授予了“两弹一星元勋”称号。郭先生在上世纪60年代，还亲自开创并主持了力学研究所的磁流体力学研究领域，包括热核聚变反应的小型实验装置和理论研究，主要探讨约束装置中的磁流体不稳定性问题。但仅仅迈出了第一步。

图1 我国第一颗氢弹爆炸（图片来源：网络）

不言而喻，和平利用核聚变才是关系到人类未来文明发展的艰巨课题。要完成从威慑武器到优质能源的科学途径，关键是可控制、可持续的能量和物质转化过程的调控。由于聚变燃料必须在高温高压环境中才能发生聚变反应，但反应器的壁面无法承受这种高温，所以需要将聚变燃料约束在与器壁不发生接触的有限空间里。从爱因斯坦质能方程到可控核聚变实现，人类如火如荼地摸索了很多年，终于得知实现可控聚变有三种途径：引力约束，惯性约束和磁约束。其中，磁约束核聚变被认为是实现“人造太阳”梦想的有效途径。所谓的“磁约束”是利用磁场对运动带电粒子产生的洛伦兹力产生约束。因为聚变燃料在极高温下会完全电离，形成由带正电的原子核和自由电子组成的等离子体，这些带电粒子在垂直于磁场方向只能做回旋运动。只要适当地设计磁场的形态，就可以将高温的聚变燃料约束在有限的空间里。

一般而言，实现可控的核聚变反应需要同时满足三个条件：足够高的温度，一定的密度和一定的约束时间。科学家将以上三者的乘积称为“聚变三乘积”。根据实现点火的劳逊判据，只有聚变三乘积大于一个临界值（5×10²¹m^-3·s·keV），才能产生有效的聚变功率输出。这里的符号KeV（千电子伏特）本来是一个能量单位，表示电子通过1000伏电压差加速所获得的能量。但在等离子体科学中，常常用它来表示开尔文温度（符号为K），采用的换算公式是1KeV=1.16*10⁷K。科学家研究表明：当温度取15KeV（即1.74亿开氏度）时，聚变三乘积最小。就是说，在此温度下点火条件在工程上最容易实现和超越。相关研究还表明：在10-20KeV的温度范围内，氘-氚反应的反应速率最快，因此它们被选为核聚变的主要原料。其中，氘（元素符号为D或²H）是氢的同位素，原子核中有一个质子和一个中子（采用符号n表示），它大量存在于海水中；氚（元素符号为T或³H）也是氢的同位素，原子核中有一个质子和两个中子，它的获取相对较难，现有的主要途径是由核裂变反应获得。但目前还有一种创新途径，就是利用中子与金属锂的反应来产生，这将是未来核聚变原料的主要来源。

图2给出氘-氚（D-T）聚变反应机制的示意。核聚变在电离状态下发生，此时D和T的原子核中的质子都带有正电（用+表示），它们碰撞后发生聚变生成氦（⁴He），并释放一个中子（n）以及大量的能量（17.6兆电子伏特）。据报道，平均一克氘氚核聚变所产生的能量，就相当于8吨汽油释放的能量。可想而知，核聚变是多么的强大！

图2 氘-氚（D-T）聚变反应机制示意（图片来源：网络）

图3则给出D-T、D-D、D-³He等不同核聚变的反应截面（Cross Section）比较。这里所谓的“反应截面”是入射粒子和靶核之间发生某一特定核反应的几率，其数值越大便是发生反应的可能性越大。图中的横坐标为质心的能量（Center of Mass Energy）。由此可以看出，在5-200KeV的范围里，和其他四个核聚变相比，氘-氚（D-T）反应几率的确最高。

图3 若干核聚变反应截面的比较（图片来源：网络）

到目前为止，全球已建成的磁约束核聚变的典型装置包括全球七国共建的ITER、欧盟的DEMO和我国的EAST等。在这些装置中，直接面向高温等离子体的材料/结构即被称为“第一壁材料/结构”。它们是实现可持续核聚变的共性核心挑战之一，必须能够耐受高热流的冲击以及高能粒子的溅射与辐照。图4给出ITER装置的概念图。

图4 ITER概念图（图片来源：网络）

显然，热核聚变装置第一壁材料面对的工作环境十分极端，包括严重的溅射侵蚀、中子辐照以及高热流作用。在图5中，我们以DEMO为例，示出第一壁在稳态工况下直面的热环境数据：0.3-2MW/m²的长时热流，同时叠加高达GW/m²量级的瞬态热流。这里热流单位MW/m²和GW/m²分别表示每平方米兆瓦和吉瓦，它们和“瓦（W）”的关系是：1MW=10⁶W，1GW=10⁹W。因此，如何防住如此高的热流是建设核聚变装置的一个关键难题。

图5 DEMO装置第一壁面稳态工况下的热流（图片来源：作者译改）

为了获得持续的核聚变能输出，除了要求第一壁在高热流密度作用下能够结构稳定之外，还需要让中子透过，从而与第一壁后面的增殖区中金属锂反应，产生原料氚，实现可持续聚变。所以要求第一壁“既防又放”。

近年来，中国科学院力学研究所的表面与界面改性创新团队与德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）材料力学与仿生研究团队联合，开展表面与辐照环境的耦合作用、表面层与结构界面协同以及表面层的界内行为等研究。在热核聚变第一壁结构优化这个重大问题上，国际上不少研究团队做了很多年的工作，大部分团队在做新材料的选择和优化，而我们则瞄准了更前沿关键的问题：长时、可产氚的功能结构研究。当然，我们的研究工作并不是一帆风顺的，一开始考虑第一壁厚度对供氚速率（TBR）的影响，第一壁始终无法克服长时工况下的疲劳-蠕变损伤。这里涉及“疲劳”“蠕变”等力学概念，它们都是材料在长时工况下发生损伤的诱因。所谓“疲劳”是是指材料在循环的交变应力作用下产生裂纹、发生破坏的现象。而“蠕变”则是材料在保持应力不变的条件下变形随作用时间延长而增加的现象。当材料长时间处于加热当中时，蠕变会更加剧烈，这便是“热蠕变”。当蠕变发展到较大程度时，就可能影响材料和部件发挥功能作用。“热疲劳”是指由于环境温度梯度循环变化而产生的疲劳破坏现象。显然，第一壁结构应当能够抗热蠕变、抗热疲劳的。后来理论研究表明可以设计成毫米级厚度后，我们发展了基于RCC-MR蠕变-疲劳线性损伤累积的表面力学损伤机理模型，并提出了融合功能梯度材料通用机制和独特核壳机制的韧化方法，为第一壁构筑方法研究提供了一条新的思路。图6示出了能够抗高热流的核壳设计理念,功能结构基元由钨核和 EUROFER/CLAM钢壳组成，通过调节核壳的厚度比，实现细观尺度上的梯度（钨逐层减少，钢逐层增加）。这样可以增加结构的韧性，这里的“韧性”是指材料阻止裂纹扩展的能力。我们设计的梯度韧化结构为实现第一壁 “既防又放”的目标奠定了科学基础。

图6 抗高热流的核壳梯度韧化结构设计（图片来源：作者自制）

我们研究团队所发展的第一壁构筑方法是基于RCC-MR蠕变-疲劳线性损伤累积模型（作为科普文章，对此力学模型的细节不加说明，有兴趣读者可参阅文献[1]）。关于第一壁Armour钨/EUROFER低活化钢的功能梯度涂层，我们对典型热流工况进行了有限元模拟。在研究中，首先分析了梯度层内最大非弹性应变，并根据非弹性应变分别计算疲劳损伤及蠕变损伤，并通过改变梯度层层数、梯度成分分布和各层厚度等特性参数，将最大非弹性应变调节至梯度层内。关于核壳微结构构造，我们研究团队模拟了核壳和非核壳两种结构形式，结果表明核壳微结构能获得大厚度低应力及高结构稳定性，模拟结果与实验结果均表明了可以将微应变离散在核内。图7分别示出了有限元模拟方法计算随使用次数增加不同梯度层的最大蠕变应变、热喷涂制备的钨/EUROFER钢功能梯度涂层以及核壳微结构的应变计算与EBSD实验结果。

图7 核壳梯度韧化结构的主要模拟与实验结果[1,2]

随后，团队在KIT的氦冷回路HELOKA大科学装置上完成ITER-TBM高韧模块的强氦冷试验，其中热流密度0.9MW/m²，循环1000周次，加热和冷却时间分别为180s和150s，相比于ITER第一阶段（2035年前）的热流密度0.5MW/m²提高了80%。图8示出了带氦气冷却的高韧模块及其在氦冷回路中表面施加0.9 MW/m²热流时的测温结果。

图8 高韧模块及强氦冷试验验证[3]

我们团队相关的研究成果发表于Nuclear Fusion、Surface & Coatings Technology等领域内核心期刊，并于2022年9月获得由欧盟委员会科研与创新部颁发的欧洲聚变核能创新一等奖。欧盟官网给予高度评价，认为该研究创造了超高热流密度防护的全新记录，开启了极端环境应用的新潜力。当然应当指出的，可持续核聚变研究工作才刚刚起步，我们会继续砥砺前行。

参考文献

[1]Dandan Qu, Widodo.W. Basuki, Jarir Aktaa. Numerical Assessment of Functionally Graded Tungsten/Steel Coating System for First Wall Applications [J]. Fusion Engineering and Design, 98–99 (2015) 1389–1393

[2] Nan Deng, Dandan Qu*, Kun Zhang, Guoliang Liu, Shaofu Li, Zhangjian Zhou, Simulation and experimental study on cold sprayed W–Cu composite with high retainability of W using core-shell powder, Surface & Coatings Technology 466 (2023) 129639

[3]Thomas Emmerich, Dandan Qu, Bradut-Eugen Ghidersa,Martin Lux, Jörg Rey, Robert Vaßen, Jarir Aktaa. Development progress of coating first wall components with functionally graded W/EUROFER layers on laboratory scale, Nuclear Fusion 60 (2020) 126004