(黄学龙 中国科学技术大学 核能科学与工程)

一个国家的发展是建立在工业技术发展的基础之上的，但是工业的发展却离不开电。随着生活节奏的加快，现代生活中的人们也越来越离不开电了。但是就我国而言，仍然主要以火力发电为主，这样势必会带来严重的后果，比如温室效应的加重、酸雨甚至煤炭资源的枯竭，因此发展清洁能源越来越受到世界各国的关注。相比可再生能源如风能、太阳能，核能在清洁能源领域日益成为人们关注的焦点。图1为我国目前的电力来源情况。

图1 中国电力来源情况

2015年，国家总理李克强提出了在未来二十年大力发展核电的战略，并树立了预计在2030年建成100个核反应堆，赶超美国成为世界第一核能大国的宏伟目标。因此在国家的支持下，核电发展突飞猛进。但是由于人们对核电缺乏一定的了解，因此在发展过程中也遭到了很多人的阻挠和反对。所以，核能知识的科普也日益成为核电行业发展的重要任务之一。下面本人将从一个材料人的角度浅谈备受关注的“聚变”。鉴于本人于今年9月刚踏入核能领域学习，因此很多东西只是初步的了解，解释不当的地方还望大家批评指正。

一、聚变反应机理及优势

核能的产生有两种方式：其一，利用易裂变核素，如铀235，钚239等发生裂变反应产生裂变能；其二，利用轻原子核（氘和氚）结合成较重的原子核（氦）时也能放出巨大能量，这种反应叫做聚变反应，原理图如图2 所示，而目前核电站所利用的核能都是通过裂变反应产生。

图2 聚变反应机理

核聚变与核裂变相比，有两个非常显著的优点：其一，地球上蕴藏的核聚变能原料远远超过核裂变能。据测算，每升海水中含有0.03克的氘，所以地球上仅海水中就蕴藏有45亿吨的氘。而一升海水中所含的0.03克的氘经过核聚变反应所释放的能量相当于大约300升汽油燃烧所释放的能量。虽然氚在自然界中不存在，但是可以借助于中子轰击锂产生，而海水中也存在大量的锂；其二，由于核聚变反应不会产生放射性物质，同时在稀薄的空气当中受控的核聚变反应能够稳定进行，因此既干净又安全。

        二、聚变堆的工作原理

聚变堆电厂的核岛部分主要有三个部分组成。堆芯等离子体，即用于产生聚变能的高温等离子体；包层（又称再生区），在真空室外部，它的功能主要有三个：①将聚变反应释放的，由中子携带的动能转变成热能，然后通过热循环转变成电能；②生产或者再生聚变燃料氚；③提供核、热和生物屏蔽；强磁场部分，即产生特殊位形的强磁场，用于约束高温等离子体。总体示意图如图3所示。

图3 聚变堆截面示意图

工作原理就是堆芯等离子体发生聚变反应释放出巨大的聚变能，能量通过包壳传输，将低温的冷却水变成蒸汽推动涡轮机旋转，然后由发电机将动能转化为电能，原理图如图4所示。

由于聚变反应是原子核融合然后转变成新原子核，并伴随能量的释放，而要实现这一原子核级别的融合必须使温度达到上亿度甚至数十亿度才可能实现，此温度下的氘和氚呈现等离子态，且运动速率非常快。但要使聚变反应有效进行，就必须尽量缩小等离子体范围，从而增加碰撞概率，这一目的可通过图三外层超导磁铁来实现，因为等离子体带有电荷，可通过强磁场对其进行约束。聚变反应生成的中子轰击包壳液态锂材料从而产生聚变燃料氚，然后通过回路导入到堆芯等离子体中维持聚变反应的进行，而热量通过包壳传输，最终转化为电能。因为聚变反应产生的中子携带14MeV的能量，辐照在材料上将会引起材料硬化、脆化、肿胀等一系列不利后果，如果泄露出去将会对周围的环境造成巨大的辐射伤害，因此核屏蔽层的作用就是防止这种辐照伤害的发生。热屏蔽层的作用有两个：其一，防止热量散失到周围环境中去，从而将更多的热量用于发电；其二防止热量进入超导磁铁层，因为热量进入将会导致温度升高，从而降低超导磁铁的超导特性，进一步影响聚变反应的发生。

 

为了加深非核能领域人士对核电厂工作原理的了解，本人认为此处有必要以目前裂变堆电厂的工作原理再为大家做一个详细的介绍，示意图如图5所示：

图5 裂变电站示意图

通过此示意图我们可以清楚的发现共有3个回路，分别标记为①、②、③如图5所示。一回路作用是发生裂变反应产生裂变能量。其中控制棒是通过吸收中子从而控制链式反应的发生，稳压器的作用是维持一回路冷却水的压力，防止超压。稳压器上半部为蒸汽空间，下半部被水注满。当蒸汽压力过大时，稳压器顶部安装的喷淋嘴会向下******从而使蒸汽液化降低压力。当压力过低时，底部安装的电加热器，会加热水使其变为蒸汽，提高压力，这一反馈调节是通过控制系统实现的，当压力过大或者过低时，该控制系统也会提供保护信号，令反应堆自动停堆。一回路的能量传输到二回路，在蒸汽发生器中将低温水转化为蒸汽，从而推动涡轮机旋转，通过发电机将这一动能转化为电能。而这一高温蒸汽再通过三回路的冷却水（河水、海水等）或者冷却塔进行冷却循环。

三、聚变堆目前亟待解决的问题

从第二节我们会发现，要建成一个聚变反应堆，我们需要三大技术：等离子体技术，包壳相关技术以及其他保障安全的技术。而包壳相关技术的核心归根结底就是要解决材料的技术难题。作为材料人，解决材料问题是我们的责任、义务，更是我们光荣的使命。

由于聚变反应产物为氦和携带14MeV的中子。这样的高能量的中子如果打在材料上将会引起空位、间隙和位错环等一系列点缺陷和线缺陷。现在以点缺陷为例，就其形成原理作简要介绍。示意图如图6所示。

 

图6 点阵损伤示意图

图a)为完整晶体晶格，当晶格原子受到高能量中子碰撞后，将会克服周围原子对其的束缚，离开原来位置，进入间隙，从而在原始晶格点形成空位，这一过程叫做原子离位，这一原子叫初级离位原子。因为要克服周围原子对其的键结力的作用，因此要造成原子离位这一过程的发生需要高能中子传递给的能量要大于某一临界值，这一临界值就叫做离位能。当中子能量太低时，将不会发生原子离位。当中子能量稍高一些，使得晶格原子刚刚达到离位能，此时会在原始晶格点形成一空位，由于动能不足，因此该初级离位原子跑不了多远就会停下来，从而形成一个近距的Frenkel对，如图b)所示；当中子能量再提高一些后，初级离位原子发生离位后，仍然具有足够的动能，因此将会跑到里空位较远的间隙中去，从而形成远距的Frenkel对，如图c)所示；当中子能量足够高时，初级离位原子具有足够大的动能，在远离空位的过程中，将会碰撞到其他晶格原子，从而引起该原子晶格发生离位，这一过程叫做次级离位，该原子叫做次级离位原子。当中子能量足够大，以至于初级离位原子的能量也非常大，该初级离位原子将会经过与晶格原子一系列的碰撞，最终能量消耗，停留在远处的某一间隙中去，这个过程产生的次级离位原子甚至******离位原子仍具有很大的能量，从而也可以使周围的其他晶格原子发生离位，从而形成大量的Frenkel对，这一过程叫做级联碰撞。于是材料经过中子辐照后就会在晶体内部形成许许多多的这种点缺陷，从而降低了材料的各项力学性能，比如造成材料脆化，硬化等等。

 聚变反应产物氦进入材料内部后，由于在金属中的溶解度较低，将会形成大量的“氦泡”，这种三维的体缺陷会严重降低材料力学性能，同时引发辐照肿胀。下面我将简要阐述一下“氦泡”的产生机制。曾有学者提出过“He-He” 双原子核模型和“He-V”或者“He-I”（氦-空位，氦-间隙）两种模型。通过模拟实验得知，要形成He-He双原子核仅需要0.63eV的能量，也就是说He与He之间就很容易自组称双原子核。由于形成这种双原子核模型所需要的能量很低，因此非常稳定，一旦形成很难再将它们分开。另外一种机制就是He会被钉扎在Vacancy(空位)和Interstitial（间隙）这种点缺陷附近，因为这种缺陷附近具有较高的能量，同时也给He提供了更大的形核空间。由于He在材料中的扩散能仅有0.06eV，因此He在材料晶格中扩散非常容易。受到“He-He”或者“He-V”的吸引，He将不断在此聚集，随着He浓度的升高，逐渐形成了“氦泡”。示意图如图7所示:

由于氦泡的产生，将会导致其体积肿胀，也就是我们常说的辐照肿胀。那么我们是如何衡量这一肿胀的呢？这时我们常用肿胀率S来衡量。其定义是某一恒定体积V内所包含的氦泡的总体积∆V与V的比值。如公式（1）所示，为了简化计算，我们常把氦泡当作球形处理，公式（1）就可以被等价为公式（2）。

      鉴于材料受到聚变反应产物的作用之后，将会造成一系列不利影响，因此研究出抗中子辐照、低辐照肿胀和低热膨胀的材料成为我们材料人的使命。目前针对这一结构材料，主要有三大类：RAFM钢（Reduced Activation Ferritic/Martensitic steels），V合金以及SiC复合物。尽管后两者在热学性能上更具优势，但是由于其相比RAFM钢，研究历史较短，技术也不够成熟，所以RAFM钢成为目前最有前途的聚变堆材料。RAFM钢中比较有代表性的有欧洲的Eurofer97和日本的F82H，而我们国家在中国科学院核安全研究所的带头下，与其他近30个研究机构、学校共同合作，经过十多年的研究和发展，终于在2015年实现了可工业量产，复合聚变堆装置建设要求的CLAM钢，跻身世界前列，为将来聚变堆在我国甚至世界的应用奠定了夯实的基础。作为材料人，我们为之自豪。但是目前也只是试验阶段，要建成商用的聚变堆电站，我们还有很长的路要走，而我们材料人所需要做的就是尽我们最大的力量去解决这一路上所遇到的材料问题。作为一名研一新生，我深知“少年强则中国强”的道理，常怀爱国之心，努力践行强国之使命。在此，非常感谢各位科研前辈会国家的发展所作出的巨大贡献。接下来我会继续努力，深入学习，为国家的发展贡献自己的绵薄之力。同时也呼吁我们学生要珍惜学习时光，好好装备自己。报国强国作为我们学生的目标虽然会被部分人冠以“假高尚”的帽子，但是这的确是我们的使命。退一步讲，这也是我们实现自己价值，证明自己价值的机会。