我博士课题的研究对象正好是聚变堆第一壁材料，简单说说我对这个问题的理解吧。
第一壁材料，也就是直接包裹等离子体的那层材料（下图中的钨装甲），它在聚变堆中的服役环境最为恶劣，面临的材料问题也最严峻。
我的研究主要涉及第一壁材料的两个核心问题：高能中子辐照、以及高通量氘(D)氚(T)等离子体轰击。
一、高能中子辐照
目前研究的基本上是最容易实现的 D-T 聚变：
每个 D-T 聚变都会产生一个 14.1 MeV 的中子。由于中子不带电，无法用磁场约束，会直接轰击到第一壁材料上产生损伤。
14.1 MeV 是个很大很大的能量，要知道材料中束缚原子的都是各种化学键，其键能大约在 1~10 eV 之间。也就是说，一个 14.1 MeV 的中子所携带的能量，足以破坏上百万个普通的化学键，这无疑会对材料造成难以恢复的损伤。
在聚变堆里，高能中子就像一颗颗射向材料的子弹，不断的撞击金属原子，打断其周围的化学键，迫使原子离开原来的位置，从而破坏规整的原子排布：
原子被击跑了，原来的地方自然就留下一个坑（空位）。一个个这样的坑在材料内部积累聚集起来，就变成了大的孔洞：
另外，被击跑的原子并不会消失，而是会通过各种方式扩散到材料表面上去。原子不断的从中心往表面转移，材料就慢慢的像空心泡沫一样肿胀起来了，这种尺寸的变化对正常服役的材料是致命的。
除了辐照肿胀，中子辐照在材料中产生的大量缺陷也会影响材料的力学性能，使得材料变硬、变脆、更容易断裂，从而影响聚变堆的安全运行。
中子还会和材料进行核反应，改变材料的元素组成（例如金属 W 会变成 Re, Os, Hf, Ta）。时间一长，材料的组分会变得和一开始时完全不一样，这对材料的影响也是非常大的。
中子辐照问题虽然在裂变堆中也有，但裂变堆的中子无论在能量还是通量上都要比聚变堆要低很多，因此，裂变堆材料的技术也无法直接移植到聚变堆中。
二、高通量氘(D)氚(T)等离子体轰击
聚变堆对 D-T 等离子的约束并不完美，反应堆中会有大量的 D-T 离子轰向第一壁材料。由于 T 燃料价格十分昂贵（上亿 RMB 一公斤），在聚变堆中都是通过中子和锂反应来循环利用的：
为了避免 T 呆在材料中不出来，第一壁采用的是金属中对氢亲和力最弱的钨。T 进入钨中后难以和材料本身有效结合，只好重新跑出来，继续参与聚变。
虽然钨本身不和 T 结合，但是中子辐照会产生的孔洞对 T 的吸引力却非常强，T 一旦跑进孔洞中去就很难出来了（详情可参考我最近的这篇论文[1]）。这就使得 T 燃料滞留在材料内部，从而破坏上面的 T 循环，使得 T 越用越少。没有 T 了，自然无法进行聚变。
此外，作为气体氢的同位素，D-T 在进入材料孔洞中后会形成气体分子。这些气体分子挤在有限的空间内，会产生十分高的压强（理论上限大约是 30 GPa[1]），从而挤出氢气泡，使材料进一步开裂，造成严重破坏：
裂变堆中基本上没有 D-T 问题，这个问题对聚变堆材料来说是全新的，目前我们对该问题的研究尚处于摸索阶段，很多基础的科学现象都还没有得到解释（例如在没有中子辐照的情况下，氢泡依然可以形成），距离研发出商用聚变堆材料还有很长的路要走。
对了，聚变的产物——氦——对材料的影响也很大，不过这一块我不是很熟，就不展开了。做氦泡的同行如果感兴趣可以写一写。
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聚变堆第一壁材料这个课题我做了大概有 5 年，感觉这真心是块难啃的骨头。
聚变堆中的服役环境是极端严苛的，这意味着做相应实验的难度也十分大。例如，研究聚变堆材料，显然需要进行中子辐照实验，但这个星球上的中子源（特别是高通量中子源）是十分稀缺的，做一次中子辐照实验不仅耗资巨大，还可能要耗费数年的时间来积累足够的中子损伤。文献中能够找到的中子辐照数据屈指可数，这对新材料的研发显然是不利的。
现在研究聚变中子辐照，往往采用离子辐照来类比（依然很贵啊!!!）。可离子毕竟带电，在材料中的穿透深度很浅，只集中在材料表面几个微米内。而中子往往能穿透整个材料，引入均匀的辐照损伤。因此，离子辐照的结果有多少能用于中子辐照还真不好说。
另一个研究思路则是利用超级计算机，直接在虚拟世界中模拟中子辐照对材料的损伤，这也是我们正在干的事情。
但这个思路也面临很大的挑战：我们要在计算机中构建一个模型，其时间尺度横跨飞秒到年，空间尺度从埃米到厘米，中间几十个数量级的差别犹如天堑。没有任何超算能够精确的模拟这一过程，我们只能用各种“真空中的球形鸡”来简化模型。如何在计算速度和精度之间平衡，也是一门艺术。
当然，多给我们打点钱建几座超算，这样的暴力美学也是极好的。
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