核聚變作為人類進入一級文明的門檻，承載著全人類的重大希望，一旦成功標志著人類進入能源自由階段。

太陽不用考慮核聚變產生的后果，但是人類可控核聚變必須考慮各種問題。這里面有理論問題，有工程問題，還有防護材料的問題。

可控核聚變難度極大，每一個突破都值得歡呼。

中國科學院合肥物理研究所吳學邦研究員帶領的團隊，已經研制出一種鎢做成的超級材料，可用于可控核聚變的內壁防護。

相關成果已在國際頂級學術期刊上發表。

▍為什么人工核聚變實現很難？

人工核聚變之所以耗盡人類科學家的智力，就是因為沒有辦法完全模擬太陽核聚變的所有條件。

太陽內部的核聚變可以直接從氫原子（質子）開始，但是所有的過程都是兩個原子核相互碰撞，這個過程有很多條路徑可以完成，被稱作質子鏈，最終形成氦。

原子核都帶正電，之間相互碰撞，聚變形成新的原子核，要克服相互接近時巨大的庫侖斥力。

而且在融合發生的瞬間，需要依靠量子力學里面的隧道效應。

隧道效應，簡單的說就是兩個有一定距離的原子核突然一跳，然后碰在一起。因為穿越了中間這個距離，所以被稱為隧道效應。而且，隧道效應是物理學中唯一允許超光速的。

影響隧道效應的有兩個因素，一個是溫度，一個就是壓力。壓力決定物質密度，也就是原子核之間的距離，溫度決定原子核發生隧道效應的概率。

如果物質密度大，原子核靠的近，那么溫度可以低一點，反之溫度就得提高。

太陽內部有3000億個大氣壓，物質的密度高達100噸每立方米。

但是在地球上做不到如此高的壓力，在核聚變堆里面的等離子體的密度幾乎跟真空差不多。

這就要求必須把聚變點火的溫度提高到極高。

太陽內部的溫度是1500萬攝氏度，已經燒了50億年。2021年，我國的核聚變裝置在1.6億度運行了20秒，已經代表世界紀錄了。

商業發電的前提是，輸入的能量要小于輸出的能量，這要求核聚變等離子體的溫度要超過5億度。

溫度越高，對磁約束的要求也越高，同時對熱防護材料的要求也越高。

如果說提高磁場強度和反應溫度都屬于物理學上的程序性問題，那么反應堆的制造材料就是一個硬問題，這個問題也很關鍵。

▍研制聚變反應堆的防護材料是巨大挑戰。

我們看到的中國的托卡馬克裝置以及國外的聚變堆裝置，外殼跟管道都是銀光閃閃的，因為這些材料都是不銹鋼。

不銹鋼強度高，耐高溫、耐腐蝕，所以才用來制造托卡馬克裝置的主體工程，但是在反應堆的內部面向高溫等離子體的防護材料，連不銹鋼都扛不住。

束縛高溫等離子體的磁約束不是一個硬的約束，所以會被一些高溫離子穿透，其中帶電粒子會被導入一個偏流器。

剩下的光輻射和其他的粒子就要直接打在反應堆的內壁上，其中光輻射的功率大概占了60%。

而且，聚變高溫等離子體是一種不穩定流體，屬于湍流，有的時候會突然加速形成類似太陽表面噴出來的耀斑。

這個時候功率就會出現一個峰值，瞬間打在防護壁上的輻射能量就要大很多，對熱防護性能要求非常高。

地球上所有耐高溫的材料中，鎢的性能是最好的，熔點高達3410度。

而且鎢具有很高的強度，當1600度的時候，鋼鐵已經融化成鐵水了，鎢反而具有很高的抗拉強度。

但是鎢也有一個非常大的缺點，就是太脆了，延展性不好。所以現在的鎢材料要么就是作為其他高溫合金的添加劑，要么就是作為配重材料，或者做高速穿甲彈。

我國是世界上鎢最大生產國，每年產出占全球的80%，而且我國鎢礦非常優質，含雜質極少。

改善鎢的力學性能就可以極大地拓展這種材料的用途，這其中的關鍵就是要讓鎢材料變得更有彈性。

中國科學家把鎢粉末加熱到2000度，再使用鍛打的方法，使鎢的結晶體變小，呈片狀堆積分布，極大的增加了鎢的延展性和韌性。

如果用這種材料作為核聚變堆內壁防熱層，可以極大的延長反應堆的壽命，把原來材料幾個月的壽命延長到幾年甚至幾十年。

因為現在這個托卡馬克裝置它放電的時間太短，所以材料的壽命長短感覺影響不大，但是一旦進入商業化應用階段，材料的壽命是必須突破的，現在這個材料可以說已經提前準備好了。

▍托卡馬克裝置如此難搞，有沒有什么比較好的替代方案？

曾經有一種設想，就是制造一個內徑是80米，重10萬噸的空心鋼球。

在鋼球的中間，每10秒鐘爆炸一顆80噸TNT當量的氫彈，把脈沖能量轉化為熱能，燒開水驅動蒸汽輪機。

但是這個方案仍然面臨著瞬間超強輻射難題，所以對內表面的防護材料要求也是很高的。

以上是最簡單粗暴的方案，計算以后發現效率并不高，實用化難度很大。

托卡馬克裝置內部沒有辦法實現像太陽那樣的高壓，所以沒有辦法拉近原子核的距離，只能一味的增加溫度。

現在有些科學家在搞所謂的冷聚變，就是通過拉近原子核之間的距離，使反應溫度降低。拉近原子核距離的方法有很多，典型的方法就是把氫原子核擠進一個晶體的晶格中。

這種方法理論上可以讓核聚變在1000度之內就產生，但是由于晶格間距是固定的無法調節，所以反應效率極低。而且反應堆芯的功率不能做大，否則導致晶體融化。

綜上所述，托卡馬克裝置是核聚變唯一有前途，值得投入的裝置。谷歌現在已經開始用AI來控制托卡馬克裝置中的磁約束，可以極大提高核聚變的穩定性。

標簽：