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World File Search System聚变的
适用于等离子组件的定制钨晶格结构
核聚变是一种众所周知的能源，它有可能为人类的未来提供可持续、环保、可调度的高功率密度能源供应解决方案。目前，利用核聚变能最有前途的方法是基于专门设计的环形装置内的磁约束高温等离子体 [1]。对热核磁约束聚变的持续研究推动了当前示范聚变反应堆 (DEMO) 的设计活动，该反应堆预计将作为所谓的托卡马克型反应堆实现 [2]。实现 DEMO 反应堆的一个主要挑战是设计和制造高负荷等离子体面对部件 (PFC)，这些部件必须在聚变运行期间承受强烈的粒子、热量和中子通量 [3]。对于此类 PFC，需要特定的高性能材料才能设计出可靠的部件。对于直接面对聚变等离子体的材料，钨 (W) 目前被认为是未来磁约束热核聚变反应堆的首选等离子体面对材料 (PFM)。这主要是因为 W 表现出较高的溅射阈值能量，以及作为聚变反应燃料的氢同位素的低保留率 [4]。对于 DEMO 反应堆中的 PFC，一个特别关键的方面是瞬态壁面负载，例如，由于托卡马克中的等离子体不稳定性而产生的瞬态壁面负载。此类瞬态事件可能导致 PFC 上出现非常强烈的热负载（数十 GW/m 2，持续时间为几毫秒），进而严重损坏反应堆的包层结构 [5]。为了保护聚变反应堆的壁免受此类事件的影响，目前正在研究特定的限制器 PFC。这些组件预计将阻挡到达反应堆壁的短暂而强烈的热脉冲，以使这些限制器组件后面的包层结构不会热过载或损坏。这种限制性 PFC 的一种可能的材料解决方案是使用定制的多孔 W 材料。利用这种超材料，可以实现将由于结合了多孔性而具有的总体低热导率与 W 的有益等离子体壁相互作用特性相结合的组件。然而，W 是一种难以加工的材料，因为它本质上是一种硬而脆的金属，这意味着加工 W 既费力又昂贵。针对这些限制，增材制造 (AM) 方法代表了一种实现几何复杂的 W 部件的通用方法。AM 工艺的特点是，在计算机控制下通过逐层沉积材料来创建三维物体，这意味着使用这种方法可以直接实现具有高几何复杂性的部件。近年来，利用激光粉末床熔合 (LPBF) 技术对金属进行 AM 加工已取得重大进展，该技术无需粘合剂相即可对多种金属进行直接 AM 加工。在 LPBF 加工过程中，原料粉末材料通过聚焦在粉末床上的激光束选择性地熔化和固结 [6]。封面图片展示了通过 LPBF 制造的具有定制晶格结构的 W 样品的顶视图。目前正在针对如上所述的限制器 PFC 研究此类多孔 W 晶格。图示样品是一种晶格结构，它源自基于十四面体重复（开尔文模型）的参数固体模型。这种模型过去也应用于开孔铝泡沫 [7] 并得到验证。图示 W 晶格的参数
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arXiv:2002.12686v1 [physics.pop-ph] 2020 年 2 月 28 日
尽管从未尝试过，但可以评估，同样的技术可以用于执行一些初步的火星载人任务[1, 2]。众所周知，要真正探索和殖民最近的天体，需要开发广泛的技术[3]——开发原地资源的技术、保护宇航员免受辐射的技术、在目的地星球上制造工厂的技术等——但需要直接与推进相关的新技术。特别是，必须使用核能而不是化学能来推动航天器。基于核裂变反应的核热推进和核电推进（NTP 和 NEP）两种替代方案都得到了详细研究，前者已经进行了台架测试，结果非常令人满意。 NTP 和 NEP 可以减少旅行时间（从而减少宇航员受到的宇宙辐射），同时降低低地球轨道初始质量 (IMLEO)，从而使星际任务更加经济实惠，从而提高人类执行火星及更远星球任务的机会。NASA 设计参考架构 5 (DRA5) [3, 4] 报告了 NTP 和载人火星任务化学方法之间的有趣比较。此外，NEP 还可以显著改善化学推进，而上述两种核方法之间的选择主要取决于政治决策，即哪种技术可以发展到足够的技术就绪水平。上述两种核方法均基于裂变核反应 [5]。轻质结构和薄膜太阳能电池方面的最新进展使得人们可以考虑将太阳能电力推进 (SEP) 用于载人行星任务，尤其是首次载人火星任务。这是一种“过渡”解决方案，用于提高行星际航天器的性能，使其性能高于化学推进，同时等待 NTP 或 NEP 技术可用。通过将 SEP 的性能与化学推进和 NTP 的性能进行比较，IMLEO 方面的优势显而易见，而就 NEP 而言，它们仅取决于发电机的比重 α，短期内这对太阳能电池阵列比对核发电机更有利。从长远来看，后者会好得多，但开发 SEP 意味着为载人飞行任务开发高功率电推进器，以便在轻型核发电机可用时它们已准备就绪。无论如何，毫无疑问，要成为真正的太空文明，我们必须开发基于核聚变的火箭发动机 [6, 7]。使用聚变能进行航天器推进的想法由来已久 [8]。对于聚变推进，有两种替代方案：类似于 NTP 和聚变 NEP。在过去的 20 年里，许多研究都致力于核聚变发电的总体发展，尤其是核聚变火箭的发展。核聚变 NEP 需要开发轻型核聚变反应堆，而这在今天看来似乎是一项艰巨的任务。此外，这里的重点仍然只是发电机的比重 α，而核聚变发电机的 α 值要比裂变发电机更好还需要很多年 [9]，更不用说今天还没有出现过即使 α 值很高的核聚变发电机。在核聚变 NEP 中，α 值越低，比冲的最佳值就越高，因此即使有了轻型发电机，也需要做大量工作来改进电推进器。革命性的直接聚变驱动器 (DFD) 是一种核聚变发动机，其概念基于普林斯顿场反转配置反应堆，该反应堆无需经过中间的发电步骤即可从聚变中产生推力 [10]。该发动机的开发与普林斯顿等离子体物理实验室正在进行的聚变研究有关。DFD 使用一种新型磁约束和加热系统，以氦和氢核同位素混合物为燃料，产生高比功率、可变推力和比冲量以及低辐射航天器推进系统。最简单的聚变驱动器类型是使用小型不受控制的热核爆炸来推动航天器前进，就像猎户座计划 [5] 中计划的那样，但即使使用连续的受控反应，DFD 似乎也更容易实现，而 D-3He 直接聚变推进器似乎是可以在中期内实现太阳系殖民的推进器。虽然与 DFD 相关的大多数研究都涉及外太阳系或近星际空间的任务，但本文的目的是详细研究人类快速前往火星和小行星带的任务。结果表明，核聚变推进是开启太阳系殖民和建立太阳系经济的有利技术。本文的结构如下：在第二部分中，我们描述了推进器及其主要特性。第三部分专门考虑了地球 - 火星任务的三种情况：i. 理想的可变弹射速度 (VEV) 操作；ii. 有限的 VEV 操作；iii. 慢速货运航天器任务。第四部分讨论了前往 16 Phyche 小行星的任务，最后是结论要使聚变发电机的 α 值优于裂变发电机还需要很多年 [9]，更何况目前还没有可用的聚变发电机，哪怕它的 α 值非常高。在聚变 NEP 中，α 值越低，比冲的最优值就越高，所以即使有了轻型发电机，也需要做大量工作来改进电力推进器。革命性的直接聚变驱动器 (DFD) 是一种核聚变发动机，其概念基于普林斯顿场反转配置反应堆，该反应堆无需经过中间的发电步骤即可从聚变中产生推力 [10]。该发动机的研发与普林斯顿等离子体物理实验室正在进行的聚变研究有关。 DFD 使用一种新型磁约束和加热系统，以氦和氢核同位素混合物为燃料，产生高比功率、可变推力和比冲量，以及低辐射航天器推进系统。最简单的核聚变驱动类型是使用小型不受控制的热核爆炸推动航天器前进，就像猎户座计划 [5] 中计划的那样，但即使使用连续的受控反应，DFD 似乎也更容易实现，D-3He 直接聚变推进器似乎是可以在中期内殖民太阳系的推进器。虽然大多数与 DFD 相关的研究都涉及外太阳系或近星际空间的任务，但本文的目的是详细研究人类快速登陆火星和小行星带的任务。结果是，核聚变推进是启动太阳系殖民和建立太阳系经济的使能技术。本文的结构如下：第二部分描述了推进器及其主要特性。第三部分考虑了地球-火星任务的三种情况：i. 理想的可变弹射速度 (VEV) 操作；ii. 有限的 VEV 操作；iii. 慢速货运航天器任务。第四部分考虑了前往 16 Phyche 小行星的任务，最后是结论要使聚变发电机的 α 值优于裂变发电机还需要很多年 [9]，更何况目前还没有可用的聚变发电机，哪怕它的 α 值非常高。在聚变 NEP 中，α 值越低，比冲的最优值就越高，所以即使有了轻型发电机，也需要做大量工作来改进电力推进器。革命性的直接聚变驱动器 (DFD) 是一种核聚变发动机，其概念基于普林斯顿场反转配置反应堆，该反应堆无需经过中间的发电步骤即可从聚变中产生推力 [10]。该发动机的研发与普林斯顿等离子体物理实验室正在进行的聚变研究有关。 DFD 使用一种新型磁约束和加热系统，以氦和氢核同位素混合物为燃料，产生高比功率、可变推力和比冲量，以及低辐射航天器推进系统。最简单的核聚变驱动类型是使用小型不受控制的热核爆炸推动航天器前进，就像猎户座计划 [5] 中计划的那样，但即使使用连续的受控反应，DFD 似乎也更容易实现，D-3He 直接聚变推进器似乎是可以在中期内殖民太阳系的推进器。虽然大多数与 DFD 相关的研究都涉及外太阳系或近星际空间的任务，但本文的目的是详细研究人类快速登陆火星和小行星带的任务。结果是，核聚变推进是启动太阳系殖民和建立太阳系经济的使能技术。本文的结构如下：第二部分描述了推进器及其主要特性。第三部分考虑了地球-火星任务的三种情况：i. 理想的可变弹射速度 (VEV) 操作；ii. 有限的 VEV 操作；iii. 慢速货运航天器任务。第四部分考虑了前往 16 Phyche 小行星的任务，最后是结论DFD 使用一种新型磁约束和加热系统，以氦和氢核同位素混合物为燃料，产生高比功率、可变推力和比冲量，以及低辐射航天器推进系统。最简单的核聚变驱动类型是使用小型不受控制的热核爆炸推动航天器前进，就像猎户座计划 [5] 中计划的那样，但即使使用连续的受控反应，DFD 似乎也更容易实现，D-3He 直接聚变推进器似乎是可以在中期内殖民太阳系的推进器。虽然大多数与 DFD 相关的研究都涉及外太阳系或近星际空间的任务，但本文的目的是详细研究人类快速登陆火星和小行星带的任务。结果是，核聚变推进是启动太阳系殖民和建立太阳系经济的使能技术。本文的结构如下：第二部分描述了推进器及其主要特性。第三部分考虑了地球-火星任务的三种情况：i. 理想的可变弹射速度 (VEV) 操作；ii. 有限的 VEV 操作；iii. 慢速货运航天器任务。第四部分考虑了前往 16 Phyche 小行星的任务，最后是结论DFD 使用一种新型磁约束和加热系统，以氦和氢核同位素混合物为燃料，产生高比功率、可变推力和比冲量，以及低辐射航天器推进系统。最简单的核聚变驱动类型是使用小型不受控制的热核爆炸推动航天器前进，就像猎户座计划 [5] 中计划的那样，但即使使用连续的受控反应，DFD 似乎也更容易实现，D-3He 直接聚变推进器似乎是可以在中期内殖民太阳系的推进器。虽然大多数与 DFD 相关的研究都涉及外太阳系或近星际空间的任务，但本文的目的是详细研究人类快速登陆火星和小行星带的任务。结果是，核聚变推进是启动太阳系殖民和建立太阳系经济的使能技术。本文的结构如下：第二部分描述了推进器及其主要特性。第三部分考虑了地球-火星任务的三种情况：i. 理想的可变弹射速度 (VEV) 操作；ii. 有限的 VEV 操作；iii. 慢速货运航天器任务。第四部分考虑了前往 16 Phyche 小行星的任务，最后是结论