热核聚变想要实现商业化要分几步走（不要说还要多少年）？ 第1页

谢邀。这个问题太大了，不是一个回答能说清楚的。我个人是从事聚变堆包层结构材料工作的，所以我从我的领域做一些相关的回答。一下内容仅为一家之言，有不同想法的欢迎交流。

写在最前

首先，我们需要明确一个问题，作者的提问是“热核聚变想要实现商业化要分几步走？”。这里热核聚变可以是氢弹也可以是聚变堆，如果当年毛熊用核弹挖水库和灭火也算上的话，应该说热核聚变已经实现民用化了......

当然，这种一锤子买卖不是我们今后的发展目标，所以接下来的讨论中我们特指可控热核聚变反应堆，或者说实现可控核聚变。不过这个问题依然太大，所以我只能从我的专业相关的部分进行一些回答.

实现聚变烧水的步骤

实现聚变堆的商业化其实太过遥远，遥远到根本没有一个靠谱的规划。不过实现聚变堆烧水还是有计划的。大体上分三步：

第一步，先实现可控的磁约束核聚变，这个其实就是ITER堆，目的是验证和平利用核聚变能发电的科学和工程技术可行性。该步骤目前尚在进行中。

第二步，解决聚变堆运行稳定性和可持续性问题，主要包括解决等离子体稳态运行与氚自持两个大课题。这一步用来为后续用聚变堆发电铺平道路，主要工程有鹰酱的FNSF（聚变核科学设施）和中国的CFETR（中国聚变工程实验堆）。这一步怎么说呢，看现在这阵势ITER延期，CFETR甚至有超越ITER先点火的可能性......

第三步，实现聚变堆烧水发电的工程示范，也就是规划中的DEMO（示范性聚变核电厂）。如果第三步完成则使用聚变堆发电将不再有不可逾越的工程技术问题，剩下的就是完善技术的小问题了。当然这里指的是D-T聚变堆，D-D堆等先往后排。

目前我们面临的问题是ITER的延期和扯皮，当然进度也是有的。前面也已经说到了，ITER的延期弄得CFETR甚至可能会早于ITER点火，这就变成三步并作两步走了。

按照现在的路线图来看，21世纪20年代我兔将具备建造CFETR一期工程的能力，具体来说就是解决等离子稳态运行和氚自持两大难题。我个人对此持悲观态度，觉得延期概率比较大，毕竟几个月后就2020年了。

CFETR的二期工程将在21世纪30年代完成，CFETR二期将会实现聚变功率为1GW的DEMO堆相关技术问题确认。之后将具备建造DEMO的能力，也就是说聚变烧水不再是梦想了。

不嫌烦的可以看一下下面，嫌烦的就跳过吧

第一壁结构材料的状况

我本人是搞这个方向的，所以大体上说一下第一壁结构材料目前的状况吧。关于核聚变对结构材料的相关要求可以看我的另一个回答：

目前第一壁材料中主流和呼声很高的材料有：RAFM钢、ODS钢、V合金、SiC复合材料、高熵合金、非晶材料等。

RAFM钢

RAFM钢，即所谓低活化铁素体马氏体钢，是一个钢铁大分类，具体指的是使用低活化元素替换常规钢（比如HT-9耐热钢）中的高活化元素。比如CLAM、CLF、Eurofer97、F82H、9Cr2WVTa等。

由于是从常规钢改过来的，而且还少了很多合金元素，所以RAFM钢的性能目前还不能让人满意。现有的研究表明RAFM即使在裂变中子下只需要1~10个dpa就能出现较大的辐照脆性，换成聚变中子可能会更严重；而剂量更高的话辐照肿胀量将是完全不能接受的。这两点就基本判定了现有的RAFM钢也就只能在ITER这类实验堆里用用。

而第三点就比较可怕了，核聚变号称清洁能源，但是现有的数据表明RAFM钢在经历5年200MW功率的聚变辐照后，100年也不能清洁解控。清洁解控大致的意思就是原来有放射西行的东西经过若干年后低于某一放射性限度，不再需要按照放射性物质进行管控。原因是现有的RAFM钢杂质太多了，但是净化钢成分又会极大增加成本.....

除了上述三点问题外，蠕变、低温脆性、焊接等问题也是一大堆，只不过相对小而已。目前的办法是继续对RAFM钢进行改进和设计，比如使用MX相等对RAFM强化来解决强度和蠕变问题等，方法有很多但还需要时间和数据来说明是否可行。

ODS钢

我觉得叫做ODS-RAFM钢可能更好一点，简单来说就是依靠氧化物弥散强化来大幅度的提高RAFM钢的性能。目前国内将ODS钢分为粉末冶金ODS钢和非粉末冶金ODS钢两类，前者指的是使用粉末冶金法（不经过熔炼等液相工艺）制备的ODS钢，后者指的是使用熔炼法等非粉末的方法制备的ODS钢。

先说粉末冶金法的ODS钢，这个方法其实工艺早就成熟了，主要瓶颈有两个：

一是大规模生产的问题，因为粉末冶金法需要用到高能球磨等粉末处理工艺，产率相对熔炼法要低得多，而成本要高得多。目前貌似没有太好的解决办法......

二是大尺寸部件的生产，由于粉末冶金的最后一步是成形烧结，太大的部件压机压不动，这就没法制备了。这个问题希望未来可以用过喷射成型还有3D打印解决。

再说非粉末冶金的ODS钢

从文献上来看，目前非粉末冶金法制备的ODS钢性能太差，弥散相已经大到几乎不能称为弥散相的地步。亚微米甚至微米尺度的氧化物颗粒不能称为弥散相，而对应的粉末冶金法ODS钢中弥散相大概只有10nm量级，少数会接近100nm。这是由于奥罗万位错绕过机制是和颗粒尺寸相关的，太大的颗粒下该机制将会失效，颗粒会直接承受载荷的作用，这会导致强化机制从弥散强化退化为颗粒强化。

所以非粉末冶金法的ODS钢首先需要解决的是氧化物的弥散均匀分布的问题，这个问题不解决根本就拿不到入场券。

现在该说ODS钢本身的问题了

无论是粉末法还是熔炼法，所有的ODS钢都会面临RAFM钢几乎一样的问题。只不过ODS钢本身的蠕变性能、高温性能比较给力，所以暂时还说的过去；而由于ODS相的存在辐照肿胀和脆性似乎有缓解的趋势，不过ODS本身就是增加脆性的，所以具体还真不好说，需要等中子辐照的数据。但有一点可以确认，就是钢需要净化这个问题和RAFM钢一样。还有一点比较要命就是焊接，看ODS钢的焊接不知道发了多少文章，你就知道问题的严重程度了....

目前粉末冶金的ODS钢做到弥散均匀的纳米级强化相技术上是没问题的，看起来ODS钢是比RAFM钢要强不少的，但是钱钱钱命相连，贵了也不是一点半点。

钒合金

钒合金主要设计是用在液体包层中的，作为一种难熔金属，钒本身的高温性能天然有优势，但是问题也很突出：

一则是钒太贵了。1kg的钒大概是3000人民币，几乎是银价的四分之三

二则是钒的冶炼和加工太难了，虽然高纯的钒、包括多数钒合金都是很软的（纯钒的维氏硬度貌似只有100多点）但是只要少许的杂质，比如C、N、O就能让V变得坚硬无比，以至于某百科上将HV只有135的V归类为质硬金属。而且这家伙的化学活性还相当高，所以要冶炼钒合金目前还是需要高真空环境的，这可就贵了去了。

三则这家伙和氚是好伙伴，氚滞留量是RAFM钢的上千倍。当然这个是有解决思路的，就是加一层阻氚涂层。哎，又是钱

四，钒在某些温度下辐照时表现出了特别明显的脆性，硬化幅度高的恐怖。

目前主流是使用V-xTi-yCr合金，比如V-4Cr-4Ti、V-5Cr-5Ti等或者在此基础上微调的合金。也有ODS-V的研究报道等，但总的来说对V合金的研究远比钢逊色的多，或者说人类对这个金属的了解还太少。所以我个人看这种材料还是在中长期规划里，短期内还需要RAFM钢和ODS钢扛旗。

碳化硅复合材料

话说为什么碳化硅能叫复合材料？你见过单组元的复合材料吗？其实人家全称叫做碳化硅纤维增强碳化硅复合材料。这家伙的高温性能相当好，而且本身是实打实的低活化元素，耐中子辐照，也能扛得住辐照肿胀，最起码比RAFM钢强一个数量级。但是问题也比较大：

首先，碳化硅是陶瓷，尽管有纤维增强也是陶瓷，韧性比不上金属

其次，烧陶瓷和粉末冶金其实本质上没啥区别，粉末冶金有的缺点它全有，大尺寸怎么办，焊接又怎么办......

最后，这玩意也不便宜。所以目前碳化硅复合材料相比上面几个还是处于比较早起的阶段，应该属于长期规划材料。

非晶合金

非晶本身没有韧脆转变温度，这一点碾压了所有的晶体。人家还没有晶格，所以不存在位错等缺陷问题。所以非晶用在聚变堆中确实是一个异军突起的想法。

不过这家伙问题同样很多：非晶可以用压膜的方法成型，但是也就具备了所有粉末冶金的缺点；此外焊接的问题就更不能说了，氚滞留量也太大，还有就是非晶中用了太多的高活化元素。这些都要解决。个人认为暂时非晶合金还在规划外。

高熵合金

最近几年的大热门，反正各种说高熵合金好的都有，但毕竟一则是在风口二则是在早期，个人觉得对高熵合金的评判还是等风口过去再说。

我个人觉得高熵合金恐怕不如他的研究者们宣传的那样适合用作聚变堆。因为聚变堆要求的低活化很难满足。没那么多元素给你选啊。个人觉得暂时还应该在规划外。

综合来看第一壁结构材料的状况

成熟的材料不经用，看似经用的材料不成熟。如果现在强行去做，那么现有的材料也不是不能用；如果要商业化，那么现有的材料可能还真的一个都不能用......总的来说大家都很迷茫，可能真要等到ITER或者CFETR出来，积累点真正的聚变辐照数据才能有新的突破口。

我个人的看法是随着ITER和CFETR的工程进展，更多这些材料的不足会逐渐暴露出来。实际上目前对很多材料中的辐照理论还未建立或者还不自洽，所以未来变数还有很多。而更可怕的是......多数问题不是砸钱就能解决的。