飞刀 vs. 飞氘——金属材料为何在高能粒子辐照下不堪一击?

小李飞刀的刀,百晓生兵器谱排名第三。

小侯飞氘的氘,门捷列夫周期表并列第一。

他李寻欢的飞刀有多快,我不知道,也不在乎。

因为看完这篇文章你就知道,我的飞氘,无坚不摧。


氢的三种同位素:氕、氘、氚

氘,氢的同位素,是核聚变反应堆的主要燃料之一。

聚变堆又称“小太阳”,其芯部的温度可达上千万摄氏度。

温度是描述粒子运动剧烈程度的物理量。上千万摄氏度,对应的粒子动能就是上千电子伏特(keV)。

既然叫飞氘,那么速度当然得快。1 keV动能的氘离子,对应的速度大约是310 km/s,超出音速900多倍。

更不用提那些加速器内,动辄几百keV甚至MeV级别的高能氘离子了。

你李寻欢的飞刀再快,有本事破个音障给我看看?

高速运动的氘氚粒子碰撞发生核聚变

高速飞行的粒子撞飞材料中的原子

天下武功,无坚不摧,唯快不破。

作为一个资深伪武侠迷(真物理宅),我对此深信不疑。

快,就意味着强。

只要我飞的足够快,经典力学的牛顿就追不上我。

只要我的动能足够强,再结实的材料也会被我撞成棉花糖。

高能氘离子轰击金属材料,在材料内部撞出大量空位

哪怕是铁壁铜墙所铸的堡垒,被高能粒子多辐照一会儿,也会变得外实中空。

用高能粒子辐照金属钨产生大量空位,随着温度升高,空位逐渐开始运动、并相互聚集形成大型孔洞。图中结果通过OKMC模拟得到。

这些孔洞越来越多,甚至能连在一起形成裂纹。

材料也就越来越脆,越来越不堪一击。

千里之堤,溃于蚁穴。

电子显微照片:高能粒子辐照使得金属材料内部千疮百孔

最近为写博士论文,把硬盘里存着的数据整理了一遍。偶然翻出了一个熟悉的文件夹,里面装着我科研生涯中得到的第一组数据。

我的博士课题其实是个二手货,从上届的师兄那接盘过来的。由于组内没啥积累和指导,师兄做了半年发现是个坑,最终弃坑而逃了,留我一个人在坑中苦苦挣扎。

我进课题组时也是初生牛犊,头铁的撸了小半年代码。等别人都攒够一篇文章的数据了,我才从写bug和debug的死循环中挣扎出来,勉强把模型搭好。

但用自己亲手敲出的代码,跑出来第一组有价值的数据后,盯着那副丑不拉叽的数据图,我却感觉自己的几个月的努力没有白费。

今天重新把这个结果翻出来,也是百感交集。干脆把主要结果画成动画(文中的空位运动、聚集图),整理整理贴出来,也算是留个纪念。

2018/10/23

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来源:知乎 www.zhihu.com

作者:小侯飞氘

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