2019年9月30日，电影《攀登者》上映。

电影《攀登者》根据真实事件改编，讲述了1960年5月25日中国登山队成功从北坡登顶珠穆朗玛峰，完成人类首次北坡登顶珠峰后，时隔十五年后再次问鼎珠峰的故事。

1960年5月25日4时20分，中国登山队王富州、贡布(藏族)、屈银华三人从北坡登上珠穆朗玛峰顶，鲜艳的五星红旗飘扬在地球最高处。珠峰北坡气候极为恶劣，自然条件非常复杂，这是人类首次由珠峰北坡登顶，也是人类历史上第三次登顶珠峰。但是，因为没有留下影像资料而不被外界承认。

1975年5月27日下午2时30分，中国登山队女队员潘多和8名男队员索南罗布、罗则、候生福、桑珠、大平措、贡嘎巴桑、次仁多吉、阿布钦，再次从北坡登上珠峰。潘多成为世界上第一位从北坡登顶珠峰的女性，这次登顶也创下了一次男女混合集体登上世界最高峰人数最多的世界新纪录。

1975年7月23日，中国政府授权新华社向全球宣布：中国测绘工作者精确测得世界最高峰珠穆朗玛峰的海拔高度为8848.13米。这一数据得到了全世界的认可，从此在权威的地图等出版物中，珠峰高度为海拔8848或8848.1米。

也许有人要问：“为什么要登山？因为攀登几个无人的高峰，就冒险，不惜付出生命，值嘛？”

“因为山在那里……”

1920年左右，英国人马洛里说。他因珠峰遇难，成为人类高山探险历史上的标志人物。

其实，人类在核聚变应用领域的大量探索和付出，何尝不是另一种意义上的攀登珠峰？

珠穆朗玛峰 图片源自网络

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上篇介绍了核聚变堆中的包层结构用材料，本篇将继续介绍包层结构中非常重要的第一壁(First Wall)材料。

等离子体与第一壁元件的交互 图片源自网络

第一壁是ITER( International Thermonuclear Experimental Reactor)装置的核心部件，位于环形真空室内部，在运行时直接面对上亿摄氏度的等离子体，保护外围部件和设备免受高热流和高能粒子流的冲击。

根据表面所受热负荷水平的不同，ITER第一壁分为普通热负荷型和增强热负荷型两类。

在核聚变反应堆中，直接面对等离子体的第一壁材料(PFMs)的选择，需要面临更多的挑战。不仅要考虑等离子体对材料的影响，而且还要考虑材料对等离子体的影响。

对材料的影响和对等离子体的影响的要求，实际上是有些矛盾的。PFMs会承受从等离子体中逸出的高通量的中性和带电粒子的冲击，以及从壁表面溅射出来原子的冲击。溅射的原子可能会进入等离子体，导致辐射冷却。

由于低原子量(低Z)材料电离所需能量较少，因此是面对等离子体的表面材料的首选材料，因此通常选择铍(Be)作为ITER第一壁的涂层，但是低Z金属熔点低(结合能低)，侵蚀率高，因此，从材料的角度来看，高Z金属是首选。

铍的高侵蚀率和高毒性意味着它不太可能成为核聚变反应堆设计的选择材料；钨(W)，由于其高熔点和热导率，可能是一个可行的选择。

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目前，世界上已有的材料中，还没有任何一种材料能够完全胜任第一壁的工作要求。欧盟、日本、美国等对PFMs进行了较深入的研究，并建立了相关数据库，我国的相关研究起步较晚。

在PFMs中，一般分为低原子序数材料和高原子序数材料。低原子序数材料包括石墨、硼、锂和铍等，高原子序数材料包括钼和钨等。

目前PFMs的研究热点主要有钨、碳基材料(石墨、C/C复合材料)和铍等。

等离子体与第一壁的相互作用

等离子体与第一壁的相互作用(PMI)是指由于磁场对等离子体约束的不完全性，一些带电粒子由于碰撞、反常输送等机制在垂直于磁面方向上作漂移和扩散运动，直至接触器壁并与其发生作用；此外，中性原子、中子、光子不受磁场约束，直接作用到器壁上。

PMI可以产生两个方面的结果：

一是粒子流和能量流轰击器壁产生杂质，杂质进入主约束区，对等离子体约束和其品质产生不利影响。杂质的产生机制有物理溅射、解吸、蒸发、化学溅射、起弧、表面起泡、氢在晶界析出等。

二是粒子流和能量流轰击器壁，造成第一壁材料损伤，主要表现为PFMs的溅射腐蚀和热腐蚀、辐照损伤。

PFMs的性能要求

在热核聚变装置中，聚变等离子体的边缘与PFMs有着强烈的冲刷作用，PFMs的主要功能是有效控制进入等离子体的杂质，有效传递辐射到材料表面的热量，保护非正常停堆时其它部件因受等离子体轰击而损坏。

根据PFMs的工作状态，它需要满足以下几方面的设计要求，才能保证聚变装置的正常运行。

(1)良好的导热性、抗热冲击性和高熔点。从这点而言，石墨和钨是最佳选择。由于聚变反应堆在正常运行过程中，PFMs要受到等离子体的直接冲刷，承受很大的热负荷，承受高热负荷的特性直接关系到装置能否安全运行。

(2)低的溅射产额，即由物理溅射、化学溅射和辐照增强升华所产生的杂质数量要低，以减少杂质对等离子体的污染和保证等离子体的品质。从这点来看，钨和钼等难熔金属较好。

(3)氢(氘、氚)再循环作用低，即氢(氘、氚)应具有较低的吸、放气性。如果PFMs中含有大量的氢，那么这些氢就会在等离子体放电过程中进入等离子体，造成氢循环，并逐渐加强，这种现象对聚变反应很不利，一定要尽力避免。

(4)低的放射性，由于D-T反应(氘和氚反应)产生的高能中子使PFMs在被辐照损伤的同时也被放射化，因此PFMs要具有低的放射性。有文献给出了一些低放射性元素(碳、铬、钨、钒、钽、钛、锰、硅、硼)和受限元素(铌、钼、镍、铜)。

钨及钨基材料具有高熔点、高热导率、低溅射产额和高自溅射阈值、低蒸气压和低氚滞留性能，成为最具应用前途的一类PFMs。

据此，ITER已确定了一条从铍/碳/钨到铍/钨，最后变成全钨的路线。

EAST(中国核聚变实验装置东方超环)也确定了约3年逐步从现在的全碳到碳/钨的过渡，最后全部变成全钨的发展方向。

在以后的ITER堆型设计中，全钨概念已经成为共识。下表给出了几种热门候选材料在600℃下的基本性能。

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PFMs的选择

PFMs的选择是一项非常具有挑战性的工作，铍、碳基材料以及钨是目前最为热门的候选材料。下表给出了ITER EDA 研发项目正在研发的PFMs，下面一一重点介绍。

铍

铍具有低的原子序数、高的热导率以及与等离子体适应性好、比强度大、弹性模量高、对等离子体污染小、可作为氧吸收剂、中子吸收截面小且散射截面大等优点，从而使得其被选为ITER 中的PFMs。

自从铍在欧洲联合环(JET)使用并取得成功后，铍作为一种低原子序数的PFMs而备受关注。

铍材料中S-65-C的BeO和金属杂质含量低，高温下具有良好的延展性；DShG-200具有很高的热应力抗力；TR-30具有很高的辐照抗力；TShG-56性能适中。另外，S-65-C，DShG-200，TShG-56均具有较好的裂纹萌生抗力。

铍虽然具有很多优点，但缺点也很明显，如熔化温度低(1284℃)、蒸气压高、物理溅射产额高、抗溅射能力差、寿命短。

尤其是在中子辐照的条件下，会引发铍晶体结构的变化及性能变化，如导热率降低，尤其是在低辐照温度(70℃)、高辐照剂量(32dpa)的条件下，将会导致其热导率急剧下降，从200W•(m•K)-1降到35W•(m•K)-1。

这些缺点限制了它的应用，并且它的抗热冲击性能也是一个备受关注的问题：钱蓉晖利用高功率扫描电子束加热模拟聚变装置中的高热负荷对铍材料进行热冲击试验，发现热冲击能量密度超过2 MJ•m-2时，铍开始出现明显的熔化，在9.62MJ•m-2热冲击能量密度以内形成的烧蚀坑深度不超过150μm，并且材料因升华和飞溅有微量的质量损失。

另外，铍具有毒性，空气中其含量超过1mg•m-3，就会使人染上铍肺病。

碳基材料

碳基材料具有低原子序数、高热导率和高抗热震能力，在高温时能保持一定的强度，与等离子体具有良好的相容性以及对托卡马克装置中异常事件(包括等离子体破裂、边缘区域模)具有高承受能力。

在ITER中，等离子体破裂和慢瞬态过程给PFMs带来了极高的热负荷，具有高热导率(20℃时为300W•m-1•K-1，800℃时为145W•m-1•K-1)的碳纤维复合材料(CFC)作为PFMs在该方面具有显著优势。

在与等离子体直接接触的区域(如偏滤器垂直靶和收集板)目前只能使用CFC，因为其在高功率运行条件(慢瞬态和破裂)下也不会熔化，具有很高的剥蚀寿命，并且在高热流密度下具有优异的热力学性能。

此外，碳基材料的应用在各大装置中具有丰富的试验数据和经验。因此，碳基材料是近10年来PFMs的首选材料，广泛应用于国内外大多数托卡马克试验装置中。

但是，碳基材料存在两大缺陷。

一是抗溅射能力差、化学腐蚀率较大，其在800K附近具有很强的化学溅射，在1200K以上又表现出辐照增强的升华现象。

这都使碳的腐蚀急剧增加，从而造成碳杂质在试验装置中泛滥，使等离子体品质下降。

二是其孔隙率较高，约为19%(体积分数)，这使得其对氘和氚具有较高的吸附性，这对氘、氚燃烧待产离子体产生了严重影响。

到目前为止，还没有一种碳基材料能解决这个问题。另外，对于目前ITER偏滤器的设计，中子辐射主要影响CFCs的热导率，因此，需要更多的数据去研究受辐照CFCs的热反应。

最早使用的碳基材料是高纯石墨，随着核聚变研究的深入，纯石墨材料已不能满足使用需求。一些学者从降低材料的原子序数和提高抗氧化能力出发，研究了掺杂石墨材料。

他们向石墨中加入的硼、钛和硅等元素有效抑制了化学溅射现象，并提高了材料的力学性能、热性能和真空性能；在8MW•m-2的热流冲击下材料表面无损伤，且热导率无明显下降。

但掺杂石墨后，材料的热导率较低，不能很好地适应新一代托卡马克装置。吴俊雄等制备了三维CFC，其强度和热导率大大高于石墨的，在室温下，热导率达到300W•(m•K)-1以上，热膨胀系数低，耐热冲击性好，可用于ITER中热载很高的局部位置。

为了提高传统CFCs的抗化学腐蚀能力，降低氚滞留，法国NET团队开发了硅掺杂的CFCs(SEPNS31)；Tonen开发了SiC掺杂CFCs。掺杂能减少氚滞留，降低化学腐蚀，但同时会导致材料的热导率轻微下降。

钨

相对于低原子序数材料，高原子序数的PFMs有望达到较高的使用寿命，在聚变研究的早期，PFMs通常采用钼、钨等高原子序数金属制备。

经过多年的试验研究，钼逐渐被淘汰，钨作为偏滤器的PFMs一直被关注。金属钨具有高的熔点(3683℃)和热导率，而且对氘和氚的吸附量极小，仅为石墨的1/10；另外，其放射性低、抗溅射能力强、不与氢反应、具备高的抗等离子体冲刷能力等，从目前的研究来看，钨是最有前景的PFMs。

但是，钨作为高原子序数材料，杂质容忍度低(比碳杂质小23个数量级)，抗热震能力、物理溅射和辐照效应较差。

当离子能量大于100 eV时，钨－钨的自溅射产额将大于1，所以钨只能用于能量低于这一水平的聚变系统中。并且，钨为重金属，容易引起物理溅射而污染等离子体。

近些年来，随着人们对托卡马克边缘等离子体物理的深入理解，以及等离子体约束水平的提高和偏滤器位形的发展，等离子体边缘的温度已经降到钨发生物理溅射的临界温度以下，这使得钨的溅射产额大大降低，从而使钨作为PFMs又重新被重视，成为第一壁材料研究的重点。

作为将来工程化应用的PFMs，纯钨所面临的加工难、韧脆转变温度高以及再结晶温度低等缺点也必须要得以解决。

采用合金化(如钨铼合金)、弥散强化(如添加氧化物La2O3)、复合化等手段可以有效改善钨基材料的某些性能，特别是碳化物、碳纳米管、钨丝等材料的复合化以及优化制备工艺(如刘凤等通过等通道转角挤压法制备致密度高、韧性优异、大尺度块体超细晶/纳米晶钨)有可能提高钨材料的热力学性能和抗粒子辐照性能；热加工和冷加工手段的实施，将使钨的性能显著提高。

在钨中加入稀土进行固溶强化是目前有效提高钨合金材料性能的一种方法。

与纯钨相比，钨铼合金有着更高的强度和再结晶温度、更好的切削性能、更低的韧脆转变温度以及更好的抗肿胀能力，但是经中子辐射后它的脆性增大，而且加入稀土后其热导率下降，增加了成本。

La2O3氧化物弥散强化钨基材料是利用弥散的超细氧化物阻碍位错运动，从而提高钨基材料在高温下的力学性能以及室温强度和韧性。国内外研究最为广泛和成熟的是将La2O3作为弥散相加入到钨材料中，用以提高蠕变、热冲击、机械加工和热拉伸性能。

种法力等通过粉末冶金方法制备了La2O3弥散增强钨合金，并对其进行了电子束热负荷性能研究，结果表明，此合金能承受6MW•m-2的热负荷，已经考虑将其作为高原子序数材料用于偏滤器的护甲和热核聚变装置的挡板。

虽然氧化物具有最好的抗氧化烧蚀性能，但是在高温等离子体冲刷时它的熔点较低，为了进一步提高钨合金的高温性能，研究人员向钨中加入具有更高熔点的碳化物，如TiC、ZrC等，制备了碳化物增强钨基复合材料。

相对于ZrC来说，TiC颗粒对钨基体有更好的高温增强效果。日本在TiC颗粒弥散增强超细晶钨基复合材料方面做得最好。Kurishita等通过高能球磨、热等静压以及后续热锻和热轧工艺制备了粒径小于1μm的W-0.5TiC材料，其抗弯强度可达到1.62GPa。

经中子辐照后，细小的TiC颗粒与基体形成了K-S关系，但这种关系并不是由辐照引起的，而是在原始结构中已经存在。说明TiC弥散颗粒在中子辐照时是比较稳定的，这种K-S关系增强了抗辐照性能。有文献给出了纯钨和W-0.3TiC材料经中子辐照后缺陷的尺寸分布，纯钨中缺陷的平均半径和数量密度分别为3.3nm和3600μm3，而W-0.3%TiC的则分别为2.9nm和2700μm3，这表明W-0.3TiC的抗辐射性能优于纯钨。

近年来对超细晶/纳米晶钨的研究发现，它不仅表现出了优异的延展性，还表现出了良好的抗辐照肿胀和抗辐照脆化性能，纳米材料自修复机制为纳米材料抗辐照性能提供了理论依据。

因此，通过适当的方法获得超细晶/纳米晶钨将提高钨的延展性和抗辐照性能，拓展其使用范围，从而使之可以满足聚变堆PFMs的使用要求。目前，可采用多种工艺制备超细晶/纳米晶钨，而且部分工艺已经开始对钨在聚变堆中的应用进行了探索。能实现深度塑性变形的等通道转角挤压法因能制备致密度高、韧脆性能优异、大尺度的块体超细晶/纳米晶钨，而在聚变材料的开发中展现出了广阔的前景，然而对其在聚变堆PFMs的应用方面还需全面研究。

综上所述，铍、碳基材料以及钨是目前最为热门的PFMs的候选材料。三种材料各具特点。钨基材料被认为是未来托卡马克中最可能全面使用的PFMs；其缺点是存在高原子序数杂质辐射以及低温脆性、再结晶脆性和中子辐射脆化等。因此，有必要对钨基PFMs进行强化研究。对钨的强化手段主要有固溶强化、细晶强化及第二相颗粒弥散强化等。除了上述热门的候选材料外，寻找和开发新的用于未来核聚变装置的PFMs也是一项重要的挑战和工作。

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实际上，由于产生可控核聚变需要的条件非常苛刻，离可控核聚变实用化，人类还有相当遥远的路要走。

现有的科学理论认为，我们的太阳就是靠核聚变反应来给太阳系带来光和热，其中心温度达到1500万摄氏度，另外还有巨大的压力能使核聚变正常反应，而地球上没办法获得巨大的压力，只能通过提高温度来弥补，不过这样一来，温度要到上亿摄氏度才行。

核聚变如此高的温度，没有一种固体物质能够承受，只能靠强大的磁场来约束，由此产生了磁约束核聚变。等离子体放电转换蓄能这个难点，也是当前拦路虎之一。

可控核聚变有句话叫“实际应用永远有个25年”，意思就是面前问题解决了，又不断出现新的问题，需要持续耐心投入，这也许是该项目最大问题。

可控核聚变这座“珠峰”，也许人类永远登不上去。但是，就因为它在那里，所以，人类的攀登将永远不会止步。