核聚变装置怎么承受1亿度的超高温?

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核聚变装置怎么承受1亿度的超高温?小侯飞氘,御氘术九级
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你可以试试把装满水的纸杯放在蜡烛上烧,按照我的经验,纸杯是不会被烧着的,哪怕火焰的温度远远超过纸杯的燃点。

核聚变堆也一样,等离子体的温度,和面向等离子体材料的温度,这是两码事。

材料承受的温度取决于两点,一个是材料吸收热量的速度,即所承受的热流密度(单位时间单位面积所承受的热量),另一个是材料的散热速度。

吸热越快,或散热越慢,材料的温度就越高,反之亦然。

聚变堆中等离子体温度虽然高,但密度并不是很大,因此材料吸收热量的速度并没有你想象的那么夸张。此外,面向等离子体部件通常都是热导率较高的材料,并在关键部位辅以水冷或氦冷,用来加快散热速度,确保材料不至于过热。


以中国聚变工程实验堆(CFETR)为例,根据万元熙院士 17 年发表在 Nuclear Fusion 上的这篇论文[1],CFETR 第一阶段的目标功率是 50-200 MW,第二阶段为 1000 MW。这里不妨取最高值 1000 MW。而 CFETR 的设计尺寸为大半径 R=6.6 m,小半径 r=1.8 m。按理想圆环面计算,其面积为:

因此,平均热流密度为:

等离子体部件中,偏滤器大概长这样,钨装甲用来抵抗等离子体冲击,内嵌铜管用来进行水冷或氦冷:

核聚变装置怎么承受1亿度的超高温?

其中钨装甲的热导率为:

假设钨装甲的厚度为

,那么在 1000MW 的功率下,可以粗略估算出材料内外表面的温度差:

也就是说,平均而言,材料内表面只比外表面高 100 多摄氏度。而金属钨的熔点足足有 3000 多摄氏度,只要外表面的做好冷却,这点温度差不足以造成材料的损伤。

当然,上面都是在讨论稳态条件下的平均热传导。实际上,不同部位承受的热流密度并不一样,不过应该不会有数量级的差别。此外,如果等离子体的控制不够稳定,会出现类似于太阳耀斑一样的爆发,在短时间内释放处大量热量(十倍 + 的热流密度),来不及通过热传导释放出去,导致材料的局部温度过高,发生表面融化,或是热应力过大产生裂纹等,这类瞬态的热冲击才是比较令人头疼的。

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