大國(guó)院士 第三百九十九章上天都在幫助他們

從趙光貴手中接過(guò)數(shù)據(jù)資料，徐川認(rèn)真的翻閱了起來(lái)。

高能中子束的輻照問(wèn)題，一直是全世界都在研究的世紀(jì)難題。

高能中子們最麻煩的地方并不在于自身攜帶的輻射，而是它可以與不同元素的原子核相撞。

中子與各種原子核相撞，會(huì)出現(xiàn)“中子激發(fā)”現(xiàn)象，產(chǎn)生不穩(wěn)定同位素，使物質(zhì)具放射性，損壞物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，有些像原本材料是一家四口，兩個(gè)中子兩個(gè)質(zhì)子組成了恩愛(ài)的一家人。

然后外來(lái)的高能中子撞到原子核后，像個(gè)小三一樣強(qiáng)行的插入進(jìn)去了，然后，家庭就破散不完美了。

目前科學(xué)界對(duì)中子輻照難題進(jìn)行處理，一般都是使用中子慢化材料和慢中子吸收物質(zhì)配合使用，來(lái)截停中子輻照。

其中中子慢化材料分重輕元素兩種，重元素主要為常見(jiàn)的鉛、鎢、鋇等金屬材料。

它們可阻滯快中子，降低中子束的能量，使其成為慢中子。

而經(jīng)過(guò)重元素慢化的中子，還需要輕元素再進(jìn)一步慢化，才能被慢中子吸收物質(zhì)吸收。

這一步主要是使用水、石蠟、聚乙烯等高聚氫的材料進(jìn)行處理。

經(jīng)過(guò)輕元素處理后的慢中子，才能被含鋰或硼的材料，如氟化鋰、溴化鋰、氧化硼等材料徹底吸收消滅。

否則即便是再慢的中子，也具有對(duì)材料或人體生物的破壞性。

光是處理中子就這么麻煩了，而可控核聚變第一壁材料還要承受高溫、氘氚高能粒子、伽馬射線、離子污染等各種問(wèn)題。

即便是通過(guò)原子循環(huán)技術(shù)和輻射隙帶構(gòu)建的材料有著吸收輻射與射線的能力，要尋找到一種能夠讓中子通過(guò)、面對(duì)高溫、保持自我修復(fù)的材料也是一件相當(dāng)難的事情。

尤其是在排除掉金屬材料這一選項(xiàng)后，就更難了。

畢竟非金屬材料中能夠面對(duì)數(shù)千度高溫的根本就不多。

陶瓷材料算一個(gè)、碳材料算一個(gè)（石墨、金剛石這些也是碳材料）、復(fù)合材料也算，不過(guò)這個(gè)的種類就繁多了，且只有部分可用。

目前來(lái)說(shuō)，能承受三千攝氏度以上高溫的非金屬材料，就這些。

而這些材料作為第一壁材料，基本都有各自的缺陷。

所以在聽(tīng)到這位趙教授說(shuō)他們研發(fā)出來(lái)的新型材料可能有著應(yīng)用在第一壁材料上的潛力時(shí)，徐川內(nèi)心是相當(dāng)驚訝的。

畢竟從他正式下達(dá)研究第一壁材料的指令到現(xiàn)在，時(shí)間也就兩三個(gè)月而已。

哪怕是他一開(kāi)始就指明了方向和相關(guān)的方法，也有著川海材料研究所那邊的材料計(jì)算數(shù)學(xué)模型的輔助，這個(gè)速度也有些太快了。

花費(fèi)了十來(lái)分鐘的時(shí)間，徐川認(rèn)真的將手中的數(shù)據(jù)資料完整的看了一遍。

從手中的資料來(lái)看，趙光貴他們研發(fā)出來(lái)的是一種碳納米管碳纖維增強(qiáng)碳化硅氧化鉿基復(fù)合材料。

從屬性上來(lái)看，類似于耐高溫復(fù)合陶瓷材料，具備大部分耐溫高溫陶瓷材料的性質(zhì)。

不同的點(diǎn)在于因?yàn)橹黧w結(jié)構(gòu)是碳納米管與碳纖維增強(qiáng)碳化硅材料的原因，在導(dǎo)熱系數(shù)方面相對(duì)比陶瓷材料得到了不小的提升。

普通的陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)在0.51W/m·K之間，而這種復(fù)合材料，導(dǎo)熱系數(shù)在52.11W/m·K，超過(guò)了石墨的40W/m·K。

當(dāng)然，50W/m·K的導(dǎo)熱系數(shù)，在一些特種陶瓷里面并不算什么。

比如碳化硅（SiC）陶瓷基材導(dǎo)熱率能達(dá)到120490W/m·K，氮化鋁（AlN）陶瓷基材的導(dǎo)熱率為170230W/mK。

這兩種陶瓷基材算是陶瓷基材中導(dǎo)熱系數(shù)最好的了，不過(guò)它們的耐高溫程度都不夠。

絕大部分的碳化硅一般超過(guò)1600度就會(huì)融化，而氮化鋁最高雖然可穩(wěn)定到2200度，但依舊達(dá)不到3000度的要求。

當(dāng)然，如果僅僅是溫度不達(dá)標(biāo)的話，通過(guò)水冷設(shè)備還是可以維持住溫度的，關(guān)鍵點(diǎn)在于中子輻照對(duì)于金屬鍵的破壞。

氧化鋁雖然是陶瓷材料，但鋁金屬鍵是核心支撐鍵，中子輻照對(duì)金屬鍵的破壞尤為明顯。

至于碳納米管材料和碳纖維材料，雖然在無(wú)氧的環(huán)境中能抗住超過(guò)三千度的溫度，但單純的碳材料對(duì)氘氚原料的吸收問(wèn)題太嚴(yán)重了。

導(dǎo)致純碳材料，如石墨烯、碳納米管很難應(yīng)用到第一壁上面。

至于趙光貴他們研究出來(lái)的這種增強(qiáng)復(fù)合型材料，在無(wú)氧的環(huán)境下，能抗住超過(guò)三千四百攝氏度的超高溫。

這一數(shù)值，如果是在純金屬中進(jìn)行比較，也就鎢能比得上了。

如果是合金的話，距離五碳化四鉭鉿（Ta4HfC5）4215攝氏度的熔點(diǎn)還是有一些距離的。

不過(guò)應(yīng)用在可控核聚變反應(yīng)堆的第一壁上，足夠了。

最關(guān)鍵的在于對(duì)氘氚原料的吸收，這一點(diǎn)從檢測(cè)結(jié)果上可以看出，這種復(fù)合型材料，除非是攜帶高能的氘氚離子失控撞擊到材料表面，否則并不會(huì)與材料本身結(jié)合反應(yīng)。

將手中的文檔放在桌上，徐川抬頭看向趙光貴，感興趣的問(wèn)道：

“有點(diǎn)意思，從材料的橫切面電鏡圖來(lái)看，似乎是原子循環(huán)技術(shù)和輻射隙帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致碳納米管與氧化鉿基材出現(xiàn)了結(jié)合，碳納米管的化學(xué)鍵取代了氧化鉿基材的氧化學(xué)鍵，形成了獨(dú)特排序的碳納米管·鉿晶體結(jié)構(gòu)。”

“而這種獨(dú)特排序的碳納米管·鉿晶體結(jié)構(gòu)，應(yīng)該就是這種復(fù)合材料耐高溫與不再吸收氘氚離子的關(guān)鍵點(diǎn)了。”

“有沒(méi)有專門針對(duì)這方面的過(guò)程做一個(gè)檢查？”

對(duì)他來(lái)說(shuō)，一項(xiàng)材料的詳細(xì)數(shù)據(jù)全都擺在眼前，并不難判斷出這種材料的核心關(guān)鍵點(diǎn)在那里。

眼下這種復(fù)合材料就是，特殊結(jié)構(gòu)的碳納米管·鉿晶體結(jié)構(gòu)，是他以往從未見(jiàn)過(guò)。

趙光貴點(diǎn)了點(diǎn)頭，道：“做了檢查，但是結(jié)果不太理想，我們沒(méi)法將您說(shuō)的這種晶體結(jié)構(gòu)單獨(dú)的剝離出來(lái)，單獨(dú)的用碳納米管和氧化鉿也無(wú)法重復(fù)出這種獨(dú)特排序的碳納米管·鉿晶體結(jié)構(gòu)。”

“所以目前來(lái)說(shuō)，只能得到這種材料的檢測(cè)數(shù)據(jù)，里面核心的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)獲取不到。”

這種材料的檢測(cè)數(shù)據(jù)出來(lái)后，研究小組里面就有人冒出了和徐川一樣的想法，推測(cè)覺(jué)得是這種獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)在起作用。

只不過(guò)后續(xù)沒(méi)辦法將這種特殊結(jié)構(gòu)分離出來(lái)，也就沒(méi)辦法確認(rèn)到底是不是它在起核心增強(qiáng)作用了。

聞言，徐川摸了摸下巴，思索了起來(lái)。

如果沒(méi)法分離的，的確是無(wú)法判斷，不過(guò)這影響并不大，只要材料能用就行。

從檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，無(wú)論是導(dǎo)熱系數(shù)還是耐高溫系、亦或者強(qiáng)度普通物理性能都滿足第一壁材料的需求。

當(dāng)然，更關(guān)鍵的點(diǎn)并不在于這些尋常的性能，而在于抗氘氚高能粒子沖擊、伽馬射線、離子污染，以及最關(guān)鍵的抗中子輻照等高能領(lǐng)域方面。

前者問(wèn)題不大，原子循環(huán)技術(shù)和輻射隙帶結(jié)構(gòu)是經(jīng)過(guò)了驗(yàn)證的。

在資料數(shù)據(jù)上也有測(cè)試體現(xiàn)，雖然還沒(méi)做完整，但也可以窺見(jiàn)一斑了，相當(dāng)優(yōu)秀。

至于后者，后者目前還沒(méi)做實(shí)驗(yàn)。

中子輻照實(shí)驗(yàn)不是那么容易做的。

感興趣的問(wèn)道：“你們是怎么想到這種材料的？”

他從手中的資料中看到了‘原子循環(huán)’和‘輻射隙帶’這兩種材料構(gòu)建技術(shù)的痕跡。

最明顯的莫過(guò)于切面結(jié)構(gòu)圖上呈現(xiàn)出的特殊的晶構(gòu)隙帶了，那是用于吸收β輻射的晶體結(jié)構(gòu)。

聽(tīng)到這個(gè)問(wèn)題，趙光貴有些不好意思的笑了笑，道：“嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，這種材料的思路其實(shí)并不是我一個(gè)人想到的。”

“在上次您安排了我研究碳材料后，我找韓錦教授和彭院士學(xué)習(xí)了解了一下您研發(fā)出來(lái)的原子循環(huán)技術(shù)和輻射隙帶這兩種技術(shù)。”

“在討論的過(guò)程中，韓錦教授提到了您在研究核廢料時(shí)研發(fā)的輻射電能半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換材料。考慮到第一壁同樣會(huì)面臨強(qiáng)輻射問(wèn)題，我覺(jué)得可以在碳納米材料中摻雜一些碳化硅材料作為雜質(zhì)制造類半導(dǎo)體，用于導(dǎo)出輻射熱能轉(zhuǎn)化的電能，從而在一定程度上維持材料本身的穩(wěn)定系數(shù)。”

“從這條路線上做研究，后面借助川海材料研究所那邊的材料模型，才逐漸往里面添加另外的氧化鉿材料作為增強(qiáng)劑的。”

“沒(méi)想到的是，作為增強(qiáng)劑的氧化鉿與碳納米管發(fā)生了意外的變化，兩者形成了一種特殊的晶體結(jié)構(gòu)，不僅降低了碳材料的導(dǎo)熱系數(shù)，還帶來(lái)了新的改變，優(yōu)化了碳材料吸收氘氚原料的缺點(diǎn)。”

聞言，徐川有些驚訝，問(wèn)道：“這么說(shuō)是運(yùn)氣好意外了？”

頓了頓，他接著笑道：“當(dāng)然，在材料學(xué)中，運(yùn)氣也是實(shí)力的一部分。”

趙光貴有些不好意思的撓了撓頭。

的確，這次的材料研發(fā)拋開(kāi)一些經(jīng)驗(yàn)流程外，完全可以說(shuō)是意外了。

誰(shuí)也沒(méi)想到氧化鉿作為添加劑加入碳材料后，在原子循環(huán)技術(shù)的輔助下，會(huì)形成獨(dú)特的碳納米管·鉿晶體結(jié)構(gòu)。

這一點(diǎn)別說(shuō)是他們這些研究員了，就是川海材料研究所那邊的材料計(jì)算模型也沒(méi)有推測(cè)到。

畢竟一開(kāi)始借助模型的力量加入氧化鉿基材只不過(guò)是為了增加碳材料的強(qiáng)度而已。

只能說(shuō)，材料領(lǐng)域的復(fù)雜反應(yīng)，超級(jí)計(jì)算機(jī)都預(yù)測(cè)不過(guò)來(lái)。

或者換句說(shuō)法，這是上天都在幫助他們！

繞開(kāi)這個(gè)話題，趙光貴咽了口唾沫，有些緊張和擔(dān)憂的接著道：“從檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，這份材料除了中子輻照外的其他性能，應(yīng)該都達(dá)到了第一壁材料的要求。剩下的就看它在面對(duì)中子輻照的時(shí)候，性能怎么樣了。”

可控核聚變反應(yīng)堆的第一壁材料選擇，可以說(shuō)得上是所有問(wèn)題中最復(fù)雜的之一，能排到前三。

難度絲毫不弱于高溫等離子體湍流的控制和氚自持。

至于這三個(gè)難題具體哪個(gè)更難，就見(jiàn)仁見(jiàn)智了。反正都不是什么好解決的麻煩。

徐川思忖了一下，道：“碳和硅在面對(duì)中子輻照的時(shí)候能保持較強(qiáng)的穩(wěn)定性和完整性，唯一的擔(dān)憂點(diǎn)在于這種新型的碳納米管·鉿晶體結(jié)構(gòu)了，在面對(duì)中子輻照的時(shí)候，它有多強(qiáng)的穩(wěn)定性了。”

“雖然它在面對(duì)高能氘氚粒子和強(qiáng)輻射的沖擊時(shí)保持住自己的穩(wěn)定性，但鉿金屬的衰變性質(zhì)讓我有些擔(dān)憂，它在面對(duì)中子輻照的時(shí)候，不一定能撐住。”

想到這樣說(shuō)別人辛辛苦苦做出來(lái)的材料可能不行，徐川又迅速補(bǔ)了一句：“當(dāng)然，這些只是我根據(jù)數(shù)據(jù)做的理論分析，具體結(jié)果怎么樣，還需要看實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。”

“等年后破曉裝置完成修復(fù)后，對(duì)你這種材料先做個(gè)測(cè)試看看，說(shuō)不定咱們這次真的運(yùn)氣好呢？”

“要是測(cè)試結(jié)果優(yōu)秀，示范堆就可以開(kāi)始建造了。”

聞言，趙光貴呼吸也急促了不少。

示范堆的建造啊，要是他能在這里面做出關(guān)鍵的貢獻(xiàn)，來(lái)年評(píng)個(gè)院士應(yīng)該毫無(wú)壓力。

不過(guò)想了想，他又很快就冷靜了下來(lái)，有些緊張的咽了口唾沫。

中子輻照實(shí)驗(yàn)才是真正的關(guān)鍵，撐不住這點(diǎn)，前面所有的努力所有的優(yōu)秀性能都是白費(fèi)的。

而眼前這位大佬說(shuō)的，其實(shí)也沒(méi)問(wèn)題。

鉿是耐熱合金材料的主要添加元素，而二氧化鉿則是具有寬帶隙和高介電常數(shù)的陶瓷材料，也是這次他們選擇它作為添加劑和催化劑的原因。

但鉿在面對(duì)中子輻照時(shí)，有一個(gè)很大的缺陷。

那就是鉿對(duì)待中子的態(tài)度很親和，簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，鉿能吸收中子，而且效率是尋常材料的數(shù)百倍。

在核裂變的原子能反應(yīng)堆中，鈾充當(dāng)核燃料，而鈾棒護(hù)套的理想材料就是添加了了鉿金屬的材料。

因?yàn)殂x對(duì)中子的吸收率極高，只需要添加少量的鉿，就能使核裂變過(guò)程中釋放中子透明度減小很多。

從這點(diǎn)來(lái)看，恐怕這次的材料可能會(huì)有極大的問(wèn)題。

想著，趙光貴的笑容有些苦澀了起來(lái)，道：“鉿元素對(duì)中子的吸收率極高的，添加了鉿材料的鋯合金是用于鈾棒保護(hù)套的。”

“從這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)來(lái)看，恐怕這項(xiàng)材料通不過(guò)中子輻照了。”

徐川笑了笑，道：“可能性還是有的，只是我估摸著不大。”

微微頓了頓，他接著道：“不過(guò)咱們也并不是沒(méi)有希望，鉿元素對(duì)中子的吸收率極高，但別忘了它還有一個(gè)近乎雙胞胎的兄弟金屬元素。”

“或許你們可以試試鋯金屬，鋯和鉿同屬于化學(xué)元素周期表的VB族，化學(xué)性質(zhì)很相似、在自然界中屬于共生在一起的兩個(gè)金屬類型。”

“或許你們可以試試用氧化鋯來(lái)做添加劑和催化劑，如果我推測(cè)的沒(méi)錯(cuò)，這應(yīng)該是可行的。”

聞言，趙光貴的眼神陡然明亮了起來(lái)，他迅速接著道：“最關(guān)鍵的是鋯對(duì)于中子的吸收率極低，在純度足夠的鋯中，中子很容易穿透過(guò)去。”

徐川笑著說(shuō)道：“沒(méi)錯(cuò)，鋯原子核對(duì)中子的吸收率很低，唯一的問(wèn)題在于它能吸收氫，同理，氫的同位素氘氚也會(huì)被吸收。”

“不過(guò)作為添加劑的話，它的量并不會(huì)很大，略微的損失一些氘氚，換來(lái)第一壁的穩(wěn)定性是可以接受的。”

趙光貴迅速點(diǎn)了點(diǎn)頭，道：“我這就回去重新準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)！”