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核聚變裝置怎麽承受1億度的超高溫?

2020-04-17知識

你可以試試把裝滿水的紙杯放在蠟燭上燒,按照我的經驗,紙杯是不會被燒著的,哪怕火焰的溫度遠遠超過紙杯的燃點。

核聚變堆也一樣,等離子體的溫度,和面向等離子體材料的溫度,這是兩碼事。

材料承受的溫度取決於兩點,一個是材料吸收熱量的速度,即所承受的熱流密度(單位時間單位面積所承受的熱量),另一個是材料的散熱速度。

吸熱越快,或散熱越慢,材料的溫度就越高,反之亦然。

聚變堆中等離子體溫度雖然高,但密度並不是很大,因此材料吸收熱量的速度並沒有你想象的那麽誇張。此外,面向等離子體部件通常都是熱導率較高的材料,並在關鍵部位輔以水冷或氦冷,用來加快散熱速度,確保材料不至於過熱。

以中國聚變工程實驗堆(CFETR)為例,根據萬元熙院士17年發表在Nuclear Fusion上的這篇論文 [1] ,CFETR第一階段的目標功率是50-200 MW,第二階段為1000 MW。這裏不妨取最高值1000 MW。而CFETR的設計尺寸為大半徑R=6.6 m,小半徑r=1.8 m。按理想圓環面計算,其面積為:

A=4\pi^2 Rr=470\ m^2

因此,平均熱流密度為:

Flux=\frac{1000\ MW}{470\ m^2}=2.13\ MW/m^2

等離子體部件中,偏濾器大概長這樣,鎢裝甲用來抵抗等離子體沖擊,內嵌銅管用來進行水冷或氦冷:

其中鎢裝甲的熱導率為:

k=173\ W/(m\cdot K)

假設鎢裝甲的厚度為 L=1\ cm ,那麽在1000MW的功率下,可以粗略估算出材料內外表面的溫度差:

\Delta T=\frac{2.13\ MW/m^2\cdot 0.01\ m}{173\ W/(m\cdot K)}= 123.25\ K

也就是說,平均而言,材料內表面只比外表面高100多攝氏度。而金屬鎢的熔點足足有3000多攝氏度,只要外表面的做好冷卻,這點溫度差不足以造成材料的損傷。

當然,上面都是在討論穩態條件下的平均熱傳導。實際上,不同部位承受的熱流密度並不一樣,不過應該不會有數量級的差別。此外,如果等離子體的控制不夠穩定,會出現類似於太陽耀斑一樣的爆發,在短時間內釋放處大量熱量(十倍+的熱流密度),來不及透過熱傳導釋放出去,導致材料的局部溫度過高,發生表面融化,或是熱應力過大產生裂紋等,這類瞬態的熱沖擊才是比較令人頭疼的。

參考

  1. ^ Wan, Yuanxi, et al. "Overview of the present progress and activities on the CFETR." Nuclear Fusion 57.10 (2017): 102009. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/aa686a