第一壁是聚变装置中面对等离子体的一层固体结构，它的主要作用是防止杂质进入等离子体进而污染等离子体内部环境，快速地将等离子体辐射产生的热量传输出去，并防止瞬态事件发生时所导致的其他部件损伤进而危及人身及设备安全。就例如常见的氘氚（D-T）聚变反应：
其中，中子携带能量高达14.1MeV，产生的粒子携带能量也高到 3.5MeV。这意味着核聚变反应将产生高于10~20MW/㎡的热负荷、高能H、He等离子体以及高达14MeV的中子辐射。在这种条件下，第一壁材料可能会发生侵蚀、肿胀、辐射硬化和脆化，热导率下降，应力腐蚀敏感性增加，蠕变加速等问题。
聚变堆第一壁材料需要具备优异的传热及抗辐射特性
如果细说的话，可以归结为以下几点：
- 为了热量的传输，材料的导热性能、熔点及抗热负荷性能要强；
- 为了降低杂质对聚变反应的干扰以及确保反应原料和产物情况，材料应具有低的溅射产额，也就是说应尽量减少聚变反应进行时材料的物理溅射、化学溅射及辐射增强引发升华等现象所造成的杂质数量；
- 为了保证聚变反应正向进行，材料对于氢同位素的滞留应较低，如果滞留能力过高，氢同位素会在材料内部积累，可能导致材料性能退化，甚至引发氢气泡的形成，这可能对材料的结构完整性造成损害。
- 基于放射性考量，材料应具有低的放射性，也就是材料应是低活性材料。
第一壁材料的选择
基于以上特性：第一壁候选材料一般分为低原子序数材料（Low-Z Materials）和高原子序数材料（High-Z Materials），这是物理学和工程学中根据元素的原子序数来划分材料的两大类。原子序数是指位于元素周期表中的元素的原子核中的质子数，它是该元素的基本特征之一。
低原子序数材料包括石墨、硼、锂、碳和铍等，高原子序数材料包括钼和钨等。铍、碳基材料以及钨是目前比较有应用前景的固体第一壁候选材料，三种材料各具特点：
- 钨及钨基材料：具有高熔点、高热导率、低溅射产额和高自溅射阈值、低蒸气压和低氚滞留性能，成为具有应用前途的一类第一壁候选材料;
- 铍：具有低原子序数、高热导率以及与等离子体适应性好、比强度大、弹性模量高、对等离子体污染小、可作为氧吸收剂、中子吸收截面小且散射截面大等优点;
- 碳基材料：具有低原子序数、高热导率和高抗热震能力，在高温时能保持一定的强度，与等离子体具有良好的相容性以及对托卡马克装置中异常事件(包括等离子体破裂、边缘局域模)具有高承受能力等优点。
等离子体的固体材料(特别是钨及钨基合金)在大的热负荷和高中子通量下有可能受到损坏。一旦损坏，这些固体会污染等离子体，并降低等离子体约束稳定性。所以新型材料及部件是目前国际聚变堆材料界的研发热点。
材料的应用
第一壁材料在核聚变反应堆中非常关键，以下是一些常见的第一壁材料及其应用的示例：
- 1983年石墨被用于欧洲联合环面（JET）的第一个壁材料；1999年应用于NSTX（国家超导托卡马克实验装置，全称National Spherical Torus Experiment)；
- 铍在2009年被用于JET；钼在1991年被用作Alcator C-Mod的第一壁材料；
- 液态锂被用于涂覆托卡马克聚变测试反应堆的等离子体的组件，并在1996年的锂托卡马克实验（TFTR）中得到应用。
- 钨的应用就很广泛了，它被用于JET和ITER的偏滤器，也用作ASDEX Upgrade的第一壁材料，ASDEX Upgrade的偏滤器使用的是表面喷涂了钨的石墨瓦片。在DIII-D设施中，钨在偏滤器上的使用也进行了研究。这些实验基本都是利用嵌入在下部偏滤器中的两个钨同位素环，来表现运行过程中钨的侵蚀情况。
中国交付给ITER的第一壁
我们之前的文章中就有提到中国承担了ITER计划中的18个采购包的制造任务，这些任务包括磁体支撑系统、气体注入系统以及能够承受极端高温的反应堆核心部件——“第一壁”。2022年中核集团核工业西南物理研究院传出消息，国际热核聚变实验堆（ITER）增强热负荷第一壁完成首件制造，其核心指标显著优于设计要求，具备了批量制造条件。
参考链接：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/652934435
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=68733&Type=bkzyb&SubID=217832
https://www.iterchina.cn/bcdyb/index.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Plasma-facing_material
https://www.iterchina.cn/bcdyb/info/2016/12033.html