在地球上进行核聚变试验相当于人造太阳——所以需要更好的材料

核聚变是人类能源研究领域待突破的关键技术之一。几十年来，科学家们一直在积极寻求将核聚变作为地球上的可再生能源。它具有巨大的潜力，可以解决我们面临的许多能源和环境问题。

但是，事实证明，在现阶段的技术水平上，要制造出一个可控、稳定运行的聚变反应堆是极其困难的。我们依然徘徊在“可控核聚变能源时代”的门外。在这篇文章中，曼彻斯特大学聚变研究人员阿内卡·汗（Aneeqa Khan）解释了在进入“聚变时代”之前尚未解决的一些问题。

核聚变是为太阳和其他恒星提供能量的过程， 我们每天所看到的阳光，以及感受到的温暖，实际上都是源自于太阳核心聚变反应的结果： 在核聚变过程中，两个原子的原子核靠得足够近，从而使它们融合在一起，释放出巨大的能量。 每一秒，太阳就会有6亿吨的 氢 ，聚变成更重的 氦 ，并在这个过程中释放出大量的能量。

如果我们能在地球上完美复制这一过程，那么人类将实现几乎零碳排放的开带来几乎无限的电力的清洁能源。这无异于在地球上制造了一颗“迷你太阳”。 但是，要在地球上制造并将这样一颗“迷你太阳”放置到一个反应堆里并非易事。这个过程中，需要产生巨大的温度、压力和极强的磁场。目前，我们还没有找到足够强的材料能够满足这些极端情况的要求，但是我们在努力，并且有了一些初步的结果。

在地球上控制核聚变反应的方法有很多，但最常见的方法是使用一种叫做托卡马克的环状装置。在托卡马克内部，用于反应的燃料——氢同位素氘和氚——被加热直到变成等离子体。等离子体是指原子中的电子有足够的能量逃离原子核并开始四处飘浮。因为它是由带电粒子组成的，与普通气体不同，它可以包含在磁场中。这意味着它不接触反应堆的侧面，而是在炸圈饼的中间漂浮。

当氘和氚有足够的能量时，它们融合在一起，产生氦、中子并释放能量。等离子体必须达到1亿摄氏度的温度才能发生大量的聚变——比太阳中心的温度高十倍。太阳必须要热得多，因为太阳的粒子密度要高得多。尽管它大部分被包含在磁场中，但反应堆仍然必须承受巨大的温度。

目前，国际热核聚变实验堆是世界上最大的聚变实验，预计将于2035年建成，该实验机最热的部分将达到1300 左右。

虽然等离子体大部分被包含在磁场中，但有时等离子体可能会与反应堆壁发生碰撞。这可能导致腐蚀、燃料被注入壁中以及材料特性的改变。

在极端温度下，我们还必须考虑氘和氚的聚变反应的副产物，如极高能量中子。中子没有电荷，所以不能被磁场所控制。这意味着它们撞击反应堆的壁，造成损坏。

在多年来不断地研究基础上，材料科学取得了巨大进步。其中最引人注目的是高温超导磁体，目前这种高温超导磁体已经被使用在不同的聚变项目上。它们在低于液氮沸点的温度下表现为超导体。虽然这听起来很冷，但与其他超导体所需的更冷的温度相比，这是很高的。

在聚变中，这些磁铁距离托卡马克内部的高温区域距离非常近（以米计）， 从而会形成一个非常大的温度梯度。由这样的磁体所产生的磁场，可以比由传统超导体所产生的磁场要强得多，这可以显著减小聚变反应堆的尺寸。

科学中最酷的事情之一是，一些最初被视为潜在问题的东西可以转变为积极的东西。目前已经设计出了一些材料，以满足在聚变反应堆中的各种严苛的条件。其中，相对领先的材料是还原活化钢，它的成分与传统钢不同，因此受到中子撞击形成的损伤水平降低。

然而，没有任何材料是完美的，目前该材料在应用层面还存在一些问题。其中包括大规模制造低活化材料，以及钨的固有脆性，这使其成为一项挑战。

新材料的制造通常是小批量的，只注重生产足够的实验材料。今后，更多的公司将继续致力于聚变，更多的项目将致力于实验反应堆或原型。

因此，我们正在进入一个需要更多思考工业化和供应链发展的阶段。随着我们越来越接近原型反应堆，并有望在未来发展发电厂，发展强大的大规模供应链将是一个巨大的挑战。