面向等离子体材料

在聚变堆内部，有一种材料站在离燃烧着的等离子体最近的位置。这就是被称为面向等离子体材料（plasma-facing material，PFM）的最前线的壁。本页将依次介绍：为什么这种材料的选择如此困难，主角如何从碳到铍再到钨不断更替的历史，材料逐渐损坏的物理过程，以及液态金属这一发想的转变。

先建立直觉（高中水平）

请想象一下，在温度比太阳中心还高、超过 1 亿度的等离子体近旁，放置一堵固体的壁。如果直接接触，看起来一瞬间就会熔化。实际上，磁场让等离子体悬浮在空中并使其远离壁，所以壁并不会变成 1 亿度。即便如此，从等离子体泄漏出来的热和粒子会倾泻到壁上，壁的表面暴露在极其严酷的环境中。

让我们用身边的比喻来梳理一下对面向等离子体材料的要求。

第一，要耐热。就像平底锅一直用大火加热也不会熔化一样，材料必须在持续承受高热的情况下仍能保持形状。在被称为偏滤器（divertor）、集中承受热和粒子的部件上，这种热的集中尤其剧烈。

第二，要难以被磨损。当等离子体的粒子高速撞击壁时，就像沙粒一点点磨损石头一样，壁的原子会被弹飞出去。这被称为溅射（sputtering）。壁被磨损会缩短寿命，而且被磨掉的原子混入等离子体会使温度下降。

第三，要难以污染等离子体。从壁上跑出来的原子混入等离子体后，这些原子会发光并夺走能量。尤其是越重的原子发出的光越多，所以只要混入一点点就会让等离子体冷却。

第四，要难以储存燃料。聚变的燃料使用一种叫氚（tritium）的放射性氢。如果壁吸入氚并不释放，宝贵的燃料就会流失，而且放射性物质积存在壁上会成为安全上的问题。

麻烦的是，这些条件常常互相矛盾。满足某一种性质，就会牺牲另一种性质。正因为如此，材料的选择一直是聚变的一大课题。

用物理来理解（本科水平）

从这里开始，我们用数式和数值来看几种性质。

承受多少热

偏滤器表面承受的热流密度（heat flux） $q$ 在稳态运行时大约达到 $10$ 到 $20 \ \mathrm{MW/m^2}$ 。这相当于太阳表面发出的热流密度的数百倍的剧烈程度。此外，在周期性发生的、被称为 ELM（edge-localized mode）的等离子体边缘喷发，以及等离子体突然崩溃的破裂（disruption）时，瞬间还会超过 $1 \ \mathrm{GW/m^2}$ 。

表面温度的上升在很大程度上取决于材料的热导率 $\kappa$ 。对于稳态的热流密度 $q$ ，厚度为 $L$ 的材料表面与背面的温差 $\Delta T$ 大致可用

\Delta T \approx \frac{q \, L}{\kappa}

来估算。热导率 $\kappa$ 越大，即使热流密度相同，也越能抑制表面温度的上升。钨的热导率在室温下约为 $170 \ \mathrm{W/(m \cdot K)}$ ，在金属中也算高的，这是它被选作高热负荷部件的原因之一。

会被磨损多少

溅射发生的难易程度用溅射产额（sputtering yield） $Y$ 来表示。这是表示”每入射 1 个粒子，平均弹出多少个原子”的量。如果 $Y$ 为 $0.01$ ，就意味着撞击 100 个才磨掉 1 个。

物理溅射（physical sputtering）是入射粒子将原子力学性地弹飞的现象。类似于台球中母球弹开目标球。就像弹开目标球需要最低限度的力度一样，弹出原子也必须使入射能量超过某个值。这个最低值被称为阈值能量（threshold energy）。越重的原子、以及与表面结合越强的原子，弹出所需的能量越大，所以阈值越高。

对于钨来说，对氘入射的阈值高达约 $200$ 到 $300 \ \mathrm{eV}$ ，在通常的偏滤器等离子体的粒子能量（ $5$ 到 $30 \ \mathrm{eV}$ 左右）下几乎不会发生物理溅射。这是一大优点。另一方面，轻的碳阈值低，即使在低能量下也会被磨损。

还有另一种磨损方式，叫化学溅射（chemical sputtering）。这是入射粒子与壁的原子发生化学反应，形成易挥发的分子后飞离的现象。碳与氢反应生成甲烷等烃类气体就是典型例子，由于即使能量低也会发生，成为碳材料的弱点。钨不与氢形成稳定的化合物，所以实质上不受化学溅射的影响。

会污染等离子体多少

从壁上跑出的杂质原子混入等离子体中心后，会通过辐射夺走能量。这种辐射损失随着原子序数 $Z$ 的增大而急剧增加。大致可以认为，可容许的杂质浓度会随着 $Z$ 大幅下降。

碳（ $Z = 6$ ）和铍（ $Z = 4$ ）这样的低 $Z$ 材料，即使混入一些也不太会使等离子体冷却。相反，钨（ $Z = 74$ ）这样的高 $Z$ 材料，只要混入极少量（浓度约 $10^{-4}$ ）就会使等离子体冷却。这里就存在难以磨损（高 $Z$ 有利）和难以污染（低 $Z$ 有利）之间的根本矛盾。

三种主要材料的比较

我们用成为历史主角的三种材料来梳理这一矛盾。

碳系材料（石墨和碳纤维复合材料 CFC）没有熔点，在约 $3900 \ \mathrm{K}$ 以上升华，所以不用担心熔化飞溅，而且是低 $Z$ 、难以污染等离子体的优等生。它直到 1990 年代都是偏滤器的常用材料，但存在化学溅射和氚积存这两个致命弱点。

铍（ $Z = 4$ ，熔点约 $1560 \ \mathrm{K}$ ）是最轻的金属，即使混入等离子体中辐射损失也小，还具有与氧结合以减少残留氧的氧吸气剂效果。不过熔点低，并且有毒性。

钨（ $Z = 74$ ，熔点 $3695 \ \mathrm{K}$ ）在所有金属中拥有最高的熔点，溅射阈值高，几乎不储存氢。它的弱点是，由于高 $Z$ 而容易污染等离子体，以及后面要讲的脆化（变脆）。

深入理论（研究生水平）

以主角从碳转移到钨的历史为主线，深入探讨材料逐渐损坏的物理。

从碳到钨：为什么主角改变了

碳的败因是氚的共沉积（co-deposition）。因化学溅射而飞出的碳，在等离子体的低温部一边卷入氢同位素一边再次形成膜沉积下来。这种共沉积层以与氢近乎 1 比 1 的比例吸收氚，所以运行次数越多，堆内氚就越不断积存。在像 ITER 这样处理大量氚的装置中，对堆内氚保有量规定了安全上限（ITER 约为 $700 \ \mathrm{g}$ ），预测碳材料在数百次放电内就会达到这一上限。这就是 ITER 放弃使用碳的决定性原因。

这一预测在实机上得到了验证。欧洲的 JET 在 2010 年到 2011 年期间，进行了将此前的碳壁全面更换为铍第一壁和钨偏滤器的改造（ITER-like wall）。其结果是，堆内氚积存率下降到了碳壁时代的约二十分之一。这一实证推动了将 ITER 偏滤器采用钨的决定。

需要说明的是，ITER 最初的设计是第一壁使用铍、偏滤器使用钨，但在此后的设计重审中，一直朝着扩大钨采用范围的方向进行探讨。这里作为已确立的事实，只叙述到偏滤器选定钨的经过。

熔化与再结晶脆化

钨虽然熔点高，但在破裂等情况下局部超过熔点时表面就会熔化。熔化的金属因表面张力和电磁力而移动，凝固后留下凹凸和裂纹。熔化飞溅也会成为等离子体的杂质混入源。

更麻烦的是在远低于熔点的温度下推进的再结晶（recrystallization）。经过加工的钨由内部积存了应变的细小晶粒构成，在这种状态下具有一定的韧性（延性）。然而一旦加热到约 $1500$ 到 $1700 \ \mathrm{K}$ ，组织就会重组为没有应变的大晶粒。晶粒粗化后晶界减少，硬度下降的同时，材料变得容易开裂。

钨存在一个以某个温度为界、从韧性状态切换到脆性状态的延性脆性转变温度（ductile-to-brittle transition temperature，DBTT）。钨的 DBTT 本来就高于室温，是在常温下处理就容易开裂的棘手材料。再结晶会进一步推高这个 DBTT，增大停止运行冷却时发生脆性断裂的危险。

氦辐照与绒毛结构

作为钨特有的现象，有因氦辐照形成的绒毛（fuzz）。当聚变燃烧中产生的氦离子以比较低的能量（数十 $\mathrm{eV}$ ）倾泻到钨表面时，由于氦与氢不同、几乎不溶于钨中，便会聚集在原子空位处形成微小的气泡（bubble）。当表面温度在约 $1000$ 到 $2000 \ \mathrm{K}$ 的范围内时，这些气泡会成长、结合，表面变成被无数纳米尺度纤维覆盖的绒毛状组织。这就是绒毛。

绒毛实质上使表面变成海绵状，因此热传导恶化，即使少量的热也容易使表面过热。此外，还存在脆弱的纤维剥落成为尘埃，或成为电弧放电起点的隐忧。绒毛形成的条件及其之后的行为，是模拟实际堆环境的研究仍在持续进行的重要课题。

与中子辐照的叠加效应

D-T 反应产生的 $14.1 \ \mathrm{MeV}$ 的中子由于是电中性的，不会被磁场弯曲，会深入壁的内部，弹飞原子并在晶格中形成缺陷的级联。这一损伤量用 dpa（displacements per atom）这一单位来测量，它表示每个原子平均被弹出多少次。据估算，DEMO 级偏滤器每年会达到 $5$ 到 $10 \ \mathrm{dpa}$ 。

中子辐照在双重意义上损害材料。一是产生的缺陷妨碍位错的运动、使材料变硬变脆的辐照硬化，这会进一步提高 DBTT。二是中子与原子核的反应（核嬗变）在堆内部也生成氦，这些氦聚集在晶界处削弱晶界的效果。

尤其重要的是，这些效应不是单独作用，而是叠加在一起起作用。表面上来自等离子体的氦形成绒毛，内部中子产生缺陷和核嬗变氦，高热负荷推进再结晶。当这样多种劣化机制同时进行时材料会如何表现，在接近实际运行条件的环境下进行评估，成为材料研究的核心难点。

研究前沿（博士水平）

介绍目前正在推进的研究方向，并附上关键词。

钨合金的开发是其中一个支柱。氧化物弥散强化钨（oxide dispersion-strengthened tungsten，ODS-W）通过弥散微细的氧化物粒子来抑制再结晶和晶粒的粗化，试图在高温下保持强度。在钨中加入铼的 W-Re 合金改善了延性，但中子辐照下铼会因核嬗变而增多这一点以及资源制约作为课题被讨论。将多种元素近乎等量混合的高熵合金（high-entropy alloy），以及用纤维强化以提高破坏时能量吸收的 W_f/W 复合材料（tungsten fiber-reinforced tungsten），也作为克服脆性的候选而被研究。

从根本上规避固体材料极限的发想，就是液态金属偏滤器（liquid metal divertor）。如果用液态金属的流动覆盖表面，即使被磨损也总会供给新的面，所以损耗的概念消失了，也不用担心熔化，内部的辐照损伤也会每次被冲走。

作为液态金属的候选，锂（lithium，Li）正在被研究。锂是最轻的金属，即使混入等离子体也难以污染，而且具有强烈吸附氢、抑制等离子体边缘粒子再循环的壁抽运效果。在 NSTX 等装置中，据报道引入锂壁使约束性能得到了提升。另一个候选锡（tin，Sn）在化学上稳定、蒸气压低，因此具有容易抑制因蒸发混入等离子体而产生的污染这一特点。

如何保持和供给液态金属也是研究课题。用毛细管力让液态金属渗入多孔的钨或金属网中来保持的毛细多孔系统（capillary porous system，CPS）是代表性方式，关键在于控制液态金属不因磁场与电流的相互作用而飞散。

在实际环境中获取材料数据的努力也很重要。由于目前还不存在能在地面上再现聚变堆中子谱的强中子源，使用加速器产生的中子的 IFMIF-DONES（International Fusion Materials Irradiation Facility - DEMO Oriented Neutron Source）计划正在推进。这以构建 DEMO 设计所需的、辐照到高 dpa 的材料数据库为目的。

理解自测

第 1 题在面向等离子体材料中，为什么难以磨损和难以污染往往互相矛盾？

第 2 题关于物理溅射与化学溅射的区别，正确的是哪一项？

第 3 题 ITER 放弃使用碳材料的主要原因是哪一项？

第 4 题关于钨的再结晶脆化和氦绒毛发生的条件与问题的组合，正确的是哪一项？

第 5 题液态金属偏滤器相对于固体材料在原理上有利的一点是哪一项？