文章核心观点 - 英国原子能管理局发布新版聚变材料路线图，为实现可持续聚变能源指明了关键材料的发展方向、技术挑战与时间规划，路线图覆盖从近期到本世纪40年代及以后的研发目标 [2] 聚变材料路线图总体框架 - 路线图时间线：到2028年，锂增殖氚创新计划将生成第一组数据，用于球形托卡马克能源生产计划的材料处于长交付周期 到2035年，国际聚变材料辐照设施-示范导向中子源项目将投运，用于球形托卡马克能源生产计划的材料将处于短交付周期 到本世纪40年代初期，球形托卡马克能源生产计划首次实现等离子体放电 [2] - 路线图从三个维度展开：模拟聚变环境、构建材料供应链助力商业化聚变、开发预测模型确保材料合格，并分近期和长期两个层级设定目标 [2] 模拟聚变环境 - 近期目标：建立在相关温度、强磁场（20T）和应变（+/-0.5%）条件下测试高温超导带材的能力并确定其临界电流值 开发原位协同测试能力以模拟实际运行条件 利用国际聚变材料辐照设施-示范导向中子源项目、锂增殖氚创新计划等设施数据确定最佳氚增殖材料 [3] - 长期目标：与远程机器人团队合作，利用球形托卡马克能源生产计划等设施开发原位监测及修复方法，确定真实聚变环境影响 委托并利用英国裂变材料试验反应堆进行聚变材料验证 [3] 构建材料供应链，助力绿色、可持续的商业化聚变 - 近期目标：培育高温超导带材供应商并制定质量保证策略 开发制造复杂几何形状、连接同种或不同种材料以及生产功能梯度材料的新方法 开发增殖材料及组件的工业规模制造工艺 保障高品质/纯度原材料的持续供应 开发可承受650℃高温的钢或钒合金、可在1000℃运行的碳化硅纤维/碳化硅等工业规模低活化结构材料 [4] - 长期目标：制定可持续的材料回收路线 确立控制杂质、减少放射性同位素的策略 开发增材制造等先进制造技术以提高可靠性并实现规模化 为钒基材料等聚变专用材料培育增长点 [4] 开发预测模型，确保材料合格 - 近期目标：开发用于预测聚变条件下材料性能演变的多尺度建模技术 设计集成建模/实验矩阵以制定测试规程并进行大样本验证 利用裂变或其他中子源提供合格的工程级候选材料数据 [6] - 长期目标：开发能够远超实验范围进行外推的工厂和组件规模级建模技术 [7] 磁体材料 - 高温超导磁体是聚变磁体领域的领先候选材料，其构成材料为稀土钡铜氧化物，但需进一步开发以应对协同聚变条件下的未知特性 [9] - 聚变应用的高温超导磁体需抵御高强度机械力及辐照损伤，并具备高电流密度，但英国尚不具备在同步聚变条件下测试高温超导磁带的能力，且高于17特斯拉的导体测试也非易事 [9] - 提升高温超导带关键性能的动力主要来自超高场及粒子加速器领域，但这些非英国行业的技术改进不足以满足聚变需求 [9] - 高温超导磁体组件及候选材料包括：高温超导带材为稀土钡铜氧化物，电缆连接材料为软合金，导管为铜，结构材料为钢，绝缘材料为环氧基或金属-绝缘体等 [10] 屏蔽材料 - 烧结型和无粘结剂的钨硼复合物和碳化钨是目前首选的屏蔽材料，氢化锆和氢化铪也被探索用作强效的中子及伽马射线吸收剂 [11] - 钨硼复合物和碳化钨的技术状态等级仍较低，需进一步研究以确保商业可行性，关键研究领域包括确定基线材料特性、增进对辐照损伤反应的理解等 [11] - 关于碳化钨和钨硼复合物的辐照性能数据匮乏是业内最重要的问题之一，同时生产“熔融级”钨硼化物和碳化物屏蔽块的供应链也亟待开发 [11] 氚增殖材料 - 氚增殖包层是自我维持聚变发电站的关键，使用含锂材料吸收聚变中子以生成氚和氦，并提取热量用于发电 [16] - 目前对氚增殖材料、载气及冷却剂的选择尚未达成全球共识，液态和固态概念均在研发，国际热核聚变实验堆的测试包层模块项目曾旨在测试四种包层模块概念 [17] - 国际聚变材料辐照设施-示范导向中子源项目预计于2034年投运，将能对候选陶瓷增殖材料及液态增殖材料进行辐照处理 [17] - 到2028年，英国的锂培育氚创新计划旨在通过实验演示实现工程规模增殖装置的定量氚培育，并开发固体、液态锂和熔盐增殖模块以供测试 [17] - 液态增殖器能提供最高的氚增殖比率（需大于1.1才能实现电厂自给自足），但其氚提取系统的安全及复杂性使得陶瓷替代方案颇具吸引力 [17] - 不同增殖材料概念（液态锂、铅-锂合金、熔盐、陶瓷球）在冷却剂、温度范围、结构材料及面临挑战方面各有不同 [18][19] 高温材料 - 最接近聚变等离子体的材料及氚增殖包层结构材料将面临极端高温、粒子流冲击及热力学载荷 [21] - 表格列出了适用于球形托卡马克能源生产计划式设计（最大出口温度600°C）及高温设计（最大出口温度1000°C）的候选结构和等离子体接触材料 [21][22] - 各类高温材料面临具体挑战：铜铬锆合金在相关氦/原子位移损伤比值下的蠕变抗力未知，需开发新型铜合金 钨面临氮气气泡形成与脆化、协同损伤等挑战 钢及钒合金面临辐射损伤对延性-脆性转变温度的影响、辐照蠕变抗性等挑战 低活化铁素体/马氏体钢在高于550-600℃时会迅速丧失蠕变断裂寿命 碳化硅纤维/碳化硅面临嬗变改变碳化硅比、辐照后导热系数低等挑战 [23] 辐射硬化材料 - 抗辐射硬化材料包括用于核应用的电子元件、连接器及电缆，在聚变中用于监测和控制系统关键系统 [25] - 这些电子元件将暴露于极端热流、高强度中子轰击及高磁场中，可能导致性能下降，需根据功能和位置进行适当防护 [26] - 远程安置控制单元需使用长电缆，可能导致信号衰减、延迟和噪声，因此需审慎考虑组件防护及系统布局 [26] - 耐辐射材料也将应用于执行复杂操作的远程维护系统，以达到核级标准 [26]