整理：液态金属自修复聚变堆第一壁中美都在试验了_风闻

还是纠错，原先我认为耐用的聚变堆（固态）第一壁在可预见的未来是造不出来的，这个一部分是源自知乎研究（固态）第一壁的物理学研究员如零度君的看法。https://www.zhihu.com/question/323617617/answer/825667067

另一部分是源自个人的瞎推算，聚变堆的中子能谱一般是14MeV的，这个去搜聚变堆中子增殖材料相关论文能发现。

【1992年，国际数据库ENDF/B-IV、ENDF/BiVi、JENDL-3T里的铍-9在14MeV下的中子增殖反射截面分别为0.536、0.485、0.542barns】铍球中子增殖率积分实验分析| https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=YHRUfPYi6NMmFagyCu2Oaq7XpT9R7qnaeE1IRKpfS0UL3Z9UeqlMeVN7cWMpbz4eiJbySqmLfOnprNXYpItnWaxLzboRyJO1Fs9-U90R8x1ZHcZYhMmgtMnk4Pe8XaHIEJJE1jfT_SuOnEXe1wgllhMZSFTGnPq7E70qBEcNDjvWhwe67dSBbNhGqo2hk3Sh&uniplatform=NZKPT&language=CHS

普通快中子堆的中子能谱的能量强度是0.08~0.1 MeV。

【快中子堆(简称快堆)是主要以平均中子能量0.08~0.1 MeV的快中子引起裂变链式反应的反应堆。】快中子堆|http://mp.ihep.ac.cn/article/pdf/preview/12254

所以中子辐射损伤是150倍啊！

不过秘塔AI开了DeepSeekR1推理模式后否定了我这个看法，它搜到普通快中子堆中子通量是1×10^15个中子/平方厘米/秒。为了防止机器幻觉用Kimi AI概括过。

【Kimi AI概括，IEEA报告中的快中子堆的中子通量数据是1×10^15个中子/平方厘米/秒（10^15  neutrons·cm−2·s−1）】Sodium-Cooled Nuclear Reactors|https://www.cea.fr/english/Documents/scientific-and-economic-publications/nuclear-energy-monographs/CEA_Monograph7_Sodium-cooled-nuclear-reactors_2016_GB.pdf

然后Demo堆（也是个聚变堆，估计比ITER的设计要求更高，因为是发电示范堆）的中子通量是比普通快中子堆少90%的！仅1x10^14n/cm^2/s。

【DEMO（演示性聚变电站）的中子通量在反应堆第一壁处预计为10¹⁴ n/cm²/s。这一数据是基于d-t（氘-氚）聚变反应产生的14 MeV中子通量的预期值。这种高能中子通量对于理解聚变反应堆中的中子激活和辐射损伤至关重要。】Towards nuclear fusion: Certifying the suitability of materials for fusion|https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphy.2023.1248191/pdf?isPublishedV2=False

所以这样看，聚变堆第一壁的中子辐照损伤大概是普通快中子堆15倍？不过我真这么承认错误后，秘塔AI又说可能存在中子增值效应和更多的氢、氦泡生成问题，实际情况可能更严重。

【Kimi AI概括：中子能量的影响：14 MeV的中子能量远高于2.5 MeV的中子，这意味着它们在材料中会产生更高的能量沉积和更复杂的核反应。高能量中子更容易引发原子位移（displacements）和核反应（如(n,2n)、(n,p)等），这些反应会产生更多的次级粒子和更高的能量沉积。  级联碰撞（Cascade Collisions）：高能量中子进入材料后，会引发级联碰撞，即一个高能量中子撞击原子核后，会产生多个低能量的次级粒子，这些次级粒子又会继续与材料中的原子发生碰撞。

这种级联效应会导致更多的原子位移和复杂的损伤结构，从而增加材料的辐照损伤。  损伤的复杂性：论文中提到，尽管可以估算原子位移率（displacement rate）和核反应产物的生成率，但这些损伤对材料的力学性能（如延展性、屈服强度、疲劳强度和蠕变率）的影响是难以准确预测的。这是因为这些损伤效应是复杂的，且与材料的微观结构密切相关。  实验数据的局限性：论文指出，目前的实验数据主要来自低能量中子（如2.5 MeV）的辐照实验，这些数据对于高能量中子（如14 MeV）的辐照损伤预测是不足够的。高能量中子的辐照实验需要更高的能量和通量，这在技术上和成本上都具有挑战性。】Central Station Power Generation by Laser-Driven Fusion|https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc1033376/m2/1/high_res_d/4677803.pdf

然后继续搜索下去，有些外国新闻说猜测聚变堆一年15dpa的损伤（每个中子撞出来15个晶格中的原子），国内有新闻说猜测有几百dpa的损伤。

反复追问后，秘塔AI搜到一个表格，里面说俄罗斯的一个BOR60的实验性快堆里是20dpa的年损伤，Demo堆的第一壁是30dpa的年损伤？

https://html.rhhz.net/CLGC/html/20180603.htm

于是好奇用Kimi AI搜了一下Bor60的中子通量，最高是3.7*10^15/cm^2/s，约为普通快堆3.7倍。

https://researching.cn/ArticlePdf/m00117/2024/47/10/100602.pdf

那么聚变堆的中子能量x中子通量应该是Bor60的4.05倍啊？怎么也得81dpa了？我怀疑可能类似法国WEST聚变堆，它在2025年2月24日创造了新的世界纪录，5000万摄氏度等离子体温度下约束1337秒，可见目前的聚变堆根本到不了1.6亿摄氏度那个三乘积（温度x能量x约束时间）下，最有可能达成劳森判据（这个就是说此时占聚变释放能量的20%的Alpha粒子的热量，就可以引发下一次聚变，于是不用拿电热转换效率30%的微波射频，或高温氢或氘等离子体的中性束注入系统去补加热）的氘氚聚变自持理想温度。

【法国原子能和替代能源委员会（CEA）官网18日宣布，本月12日，由其运营的托卡马克核聚变装置——钨环境下的稳态托卡马克装置（WEST）让氢等离子体状态持续了1337秒（22分钟17秒）。这一时长刷新了中国全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）此前数周创下的1066秒时间纪录。  图片 由CEA运行的托卡马克装置WEST。图片来源：CEA官网 CEA基础研究部主任安妮·伊莎贝拉·艾蒂安芙瑞透露，WEST装置此次运行中的加热功率高达2兆瓦，氢等离子体的温度更是攀升至5000万摄氏度。】1337秒！法核聚变装置等离子体运行时间创纪录|https://news.qq.com/rain/a/20250224A03LG900

因为到不了理想温度，那每年dpa损伤自然同比例下降了。

至于国内说的1亿、1.2亿或1.6亿摄氏度，那个2018年就有纪检监察网发布的新闻说了，其实是电子温度，电子温度和等离子体温度不是一回事。不过是不是知乎死魂灵说的10:1我还没搜过。

（中国科学院等离子体所2018年11月12日发布消息，我国“人造太阳”项目获得重大突破，首次实现加热功率超过10兆瓦，等离子体储能增加到300千焦，等离子体中心电子温度首次达到1亿度。……1亿度的温度是中国“人造太阳”工程的新纪录，但中国和国际水平还有较大的差距，目前日本已经可以实现5亿度的高温，美国和欧洲也已经达到2亿度以上的水平。）科技视界 | 中国距利用“核聚变能”还有多远-驻马店纪检监察网

为了防止有人说我替日本人吹牛，不提供来源链接，我只好把链接复制三遍了，还看不见我真没办法了。

http://www.zmdsjw.gov.cn/2019/0507/28687.html

http://www.zmdsjw.gov.cn/2019/0507/28687.html

http://www.zmdsjw.gov.cn/2019/0507/28687.html

这是纪检监察说的，不是我说的。

言归正传，钨瓦和碳化硅可承受的中子辐照损伤分别是80dpa和150dpa，也是前面那个图的同一个论文里给的数据：

但是注意了，中子把原子轰出晶格后，材料会泡沫化，会吸附氚，导致聚变效率下降或者氚增殖率下降，所以不可能是真达到80dpa才去换的，泡沫化到一定程度就要去换。换之前要停机几个月，因为钨等材料会嬗变出放射性同位素，这个放射剂量会伤害工人和机器设备，要等其半衰几个周期减轻放射性后才能安全的更换。

这个过程中超导线圈的冷却设备不能断电，否则里面的电磁力会逐渐变成热量，破坏晶格结构，导致超导相破坏，所以有额外的电力浪费。当然钇钡铜氧化物或者钡铁超导线圈由于可以只制冷到零下196摄氏度，而不是铌钛线圈的零下269摄氏度，耐短时间制冷设备断电的能力要强很多（好像还有一点记忆合金自修复能力？但不清楚是否是秘塔AI的机器幻觉，没仔细搜相关论文），但为了保险肯定是要持续通电的。

然后下次启动又要重新拿那些电热转化效率30%多的中性束，微波射频设备加热，还是要浪费电的。其实估计满足劳森判据的理想氘氚聚变堆，能实际发电的热量比率也小于80%，因为搜到冷冻的氘氚靶丸射进去后，会引发局部等离子体密度上升温度下降的问题，也要补加热的：ttps://pdfs.semanticscholar.org/5215/e5a15e3f595509a8edb7bf147be3af190f66.pdf?skipShowableCheck=true

由此猜测美国人吹嘘的Q>1的激光点火聚变，没有补加热系统，以及等离子体不均匀后的磁场约束调节系统，是不可能通过激光点火成功后连续射入靶丸来实现持续自持点火的。所以他们那个Q值不考虑蒸汽轮机发电效率最低52%的损失，光考虑192个激光器的聚焦失准等问题造成的近99%的效率损失，瞬间全系统Q值可能也是0.005。距离发电遥遥无期。

抱歉又扯远了。这时候就要说到知乎赵泠了，她用类似算法嘲讽过ITER的全系统Q值可能就0.6，但是，很意外的，她转载了个第一壁问题的缓解思路，加液态锂的流动层，且用电磁场束缚。搜了搜真有。中美都有这方面实验。

【在一代液态锂实验中[1]，证实了液态锂可以由创新性的内置式直流 电磁泵驱动，利用装置稳态环向场，形成一个锂循环回路。第二，二代流动液态锂采用了 一些技术改进，包括：改进了分配盒的制造工艺，增加了液态锂驱动的电磁泵，添加了促进润湿的表面纹理，使用了更厚的不锈钢保护层，以及使用高压氦气的冷却系统。这些改 进有效地提高了液态锂的表面覆盖率（~80%），消除了表面侵蚀，提高了排热能力[2]。第 三，三代以钼合金 TZM 为基材，具有高耐腐蚀性、高溅射阈值、对锂有良好的润湿性；实 验获得了比以不锈钢层为基材的限制器具有更均匀的锂流。流动液态锂减少了杂质及再循 环，改善等离子体约束[1,2]；实验还发现由于液态锂表面与等离子体之间的强相互作用而 产生的边缘锂辐射层[3]。】流动液态锂第一壁的研发及与高约束等离子体相互作用研究|http://submission-hk.aconf.org/hk/2019/10/abstract_868887_fx0kmrdemgixoxlt_v1.pdf

【Kimi AI概括：液态锂作为第一壁材料：文章提到，液态锂被用作一种自修复的第一壁材料，可以减少中子对容器壁的损伤和激活问题。此外，锂在聚变反应中还具有其他潜在优势，例如可以作为氚增殖材料（氚是聚变反应的重要燃料之一），并且能够显著减少等离子体边缘的氢同位素回收（recycling），从而改善等离子体性能。 实验装置（LTX）：LTX是一个球形托卡马克装置，其内部有一个与等离子体最后封闭磁通面（last closed flux surface）相符合的加热壳体，该壳体被涂覆有液态锂。这种设计使得大约90%的等离子体面向表面可以被液态锂覆盖。

 磁诊断系统：文章详细介绍了LTX中用于等离子体磁场测量的磁诊断系统，包括多种Mirnov线圈、磁通环、Rogowski线圈和反磁环等。这些诊断工具被设计为能够在高温和液态锂接触的恶劣环境下工作，并且能够提供用于等离子体平衡重构的详细数据。 实验目的：LTX的主要目标是研究液态锂第一壁（LiWall）操作模式对等离子体性能的影响。通过实验，研究人员希望更好地理解液态锂在聚变堆第一壁中的作用，并为未来的聚变反应堆设计提供参考。】Magnetic Diagnostics for the Lithium Tokamak|https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc926575/m2/1/high_res_d/959334.pdf

如此一来氢泡氦泡问题可以通过过滤分离出来，dpa损伤似乎因为是液体的关系也不大，嬗变问题嘛，嬗变成氚可以搜集起来聚变。维护可以通过补充新的液态锂来解决，似乎就不用频繁停机了？

但秘塔AI也搜到一些局限性。

【Kimi AI概括：1. 液态锂的表面杂质问题 论文中提到，液态锂表面可能会形成固体涂层，这些涂层的熔点可能高于锂的正常熔点（181°C），需要更高的温度来熔化。这种现象在之前的锂实验中已经被观察到（参考文献2、8、9）。这表明在实际应用中，液态锂表面的杂质可能会导致其性能下降，需要额外的加热和控制措施来维持其液态状态。

 2. 锂的蒸发和再沉积问题 论文中提到，锂的溅射和再沉积行为受到离子入射角、磁场鞘层以及离子能量分布函数的影响。这些因素会影响锂的损失率和再沉积效率。如果锂的再沉积不均匀或不充分，可能会导致液态锂表面的不稳定性，进而影响聚变堆的运行性能。

 3. 锂与等离子体的相互作用 液态锂与等离子体的相互作用是研究的重点之一。论文中提到，液态锂表面的低回收率特性可能会对等离子体的稳定性和性能产生重要影响。然而，这种相互作用的具体效果在大规模聚变堆中尚未完全明确，需要通过实验进一步验证。如果液态锂不能有效降低等离子体的回收率，可能会导致等离子体性能下降。 

4. 锂的温度控制问题 论文中提到，液态锂的温度需要通过加热器进行精确控制，最高可达500°C。这种高温控制要求可能会带来技术挑战，例如加热系统的可靠性、温度均匀性以及对周围部件的热影响。如果温度控制不当，可能会导致液态锂的性能不稳定，甚至引发安全问题。

 5. 锂的化学活性 虽然论文中没有明确提到锂的化学活性，但液态锂在高温下具有较高的化学活性，可能会与容器材料、冷却剂或其他杂质发生反应。这种化学反应可能会导致腐蚀、材料降解或生成有害化合物，从而影响聚变堆的长期运行。

 6. 实验验证的局限性 论文中的实验是在CDX-U（Current Drive Experiment-Upgrade）这种小型装置上进行的，而液态锂在大规模聚变堆（如NSTX、Alcator C-Mod等）中的应用效果尚未得到充分验证。从小型装置到大规模聚变堆的放大过程中，可能会出现新的技术问题和风险，例如液态锂的循环、冷却和维护等。】流动液态锂第一壁的研发及与高约束等离子体相互作用研究|https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc704775/m2/1/high_res_d/756819.pdf

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只是位于上下中心点的偏滤器上怎么加液态锂防护层呢？局部磁场能令其悬浮在偏滤器的下方和上方吗？或者开发遥控机器手去更换偏滤器？目前搜到有远程更换第一壁背板的实验：

Kimi AI概括：遥控更换第一壁背板的模拟验证实验【远程操作的验证：通过构建模拟装置（mock-up）来验证远程更换可拆卸后壁板（removable backwall plate）的概念，以及基于贝叶斯概念的连接系统的拆卸和重新连接。 激光焊接技术：开发了一种专用的轨道激光焊接机，用于远程焊接和切割密封法兰，这一过程通过模拟装置进行了验证。】 The accomplishment of the Engineering Design Activities of IFMIF/EVEDA: The European–Japanese project towards a Li(d,xn) fusion relevant neutron source| https://arxiv.org/pdf/2112.14211

不过偏滤器更大的威胁，似乎是等离子体小撕裂的温度3000摄氏度，大撕裂的温度，可能是数以万计的摄氏度。也是研究聚变堆的知乎黄小跑在其回答里说EAST目前的经验就是用主动小撕裂去减少大撕裂。偏滤器面积可能不到第一壁10分之1，但是由于是磁场磁感线居中点，（估算）可能要遭遇一半的热流……

https://www.zhihu.com/question/386759364/answer/1161630636

我个人猜测，现在大概是一千万到几千万摄氏度的等离子体温度，要提高到1.6亿摄氏度的等离子体温度后，可能小撕裂的溅射伤害温度就超过4000摄氏度，可能也会上万摄氏度了吧？超过3422摄氏度左右的钨熔点后就很容易烧穿偏滤器钨隔热栅了。

另外，知乎零度君也提过，第一壁（包括偏滤器）上的钨瓦有点蒸发，钨杂质混入等离子体，功率就会下降，那自然就无法达到符合劳森判据的自持理想温度了。

https://www.zhihu.com/question/302163496/answer/531505841

秘塔AI加DeepSeekR1也推理说主动小撕裂也会有等离子体温度损失，会导致功率上不去。

也许，用美国国家约束聚变堆的DIII-D上的数据训练出的深度学习AI，尽可能减少撕裂，才能相对延长偏滤器寿命并提高功率？之后的问题才是去定期换被辐照损伤的偏滤器？

不过DIII-D堆的规模小，不能直接套用到ITER，搜到的2019年的国外新闻还是说只是用来参考的。

【Kimi AI概括：DIII-D与ITER的关系：DIII-D的数据库被用来训练深度学习模型，使其能够可靠地预测ITER中可能出现的中断。这意味着DIII-D的数据和经验被用来为ITER的运行做准备，而不是说DIII-D的控制AI直接用于ITER。换句话说，DIII-D的数据和经验是为ITER的未来运行提供支持和参考。】AI may help develop clean, virtually limitless fusion energy|https://knowridge.com/2019/04/ai-may-help-develop-clean-virtually-limitless-fusion-energy/

总之还是很遥远。

只是秘塔AI（含R1）乐观的推算专用的聚变控制AI耗电不会特别多。它也否定了算力提升10倍幻觉下降10%的说法，也可能不需要很多的GPU？不会太影响效费比？

也许GPU阵列堆到一定量就搞出凑合能用的磁约束了？

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题外话，感觉液态锂第一壁在某个起点小说里看到过，现在写小说的也竞争激烈，不搜论文不好意思说自己是科幻小说写手~~