美国核聚变关键材料突破！或带来长寿命、更安全的“人造太阳”
美国核聚变关键材料突破！或带来长寿命、更安全的“人造太阳”
核聚变发电是人类追求清洁、可持续能源的重要方向。近日，麻省理工学院研究团队在核聚变反应堆关键材料领域取得突破性进展，开发出一种新型陶瓷材料，有望显著延长反应堆使用寿命。
核聚变发电目前主要面临两个挑战，一是如何实现输出能量大于输入能量，二是如何有效地输出并利用这些能量。
第一个挑战在美国国家点火装置的惯性约束实验中已有初步突破，而磁约束的托卡马克装置则还在持续的研究中。
第二个挑战则是找到一种关键材料，让巨大的能量可以安全地传导，而不会对材料本身造成严重损伤。
麻省理工学院材料科学与工程教授李巨领导的团队，已经开发出了一种突破性的陶瓷材料，可用于制造核聚变反应堆核心的真空容器壁，从而延长其使用寿命。
这项研究的部分成果已发表在今年3月的《材料学报》上，麻省理工学院新闻办公室在8月19日对此进行了详细报道。
核聚变反应堆发电的基本原理，是利用聚变产生的高动能快中子加热真空容器壁后的冷却剂，产生蒸汽驱动涡轮机发电。
与核裂变反应不同，核聚变产生的中子能量更高，因而对材料的破坏性更大。
虽然核裂变反应堆的材料可以使用很多年，但核聚变反应堆的真空容器壁却可能在6到12个月内失效，这是因为高能中子与容器壁中的原子核相互作用，生成的氦原子会在金属中“嵌入能”较低的地方，——晶粒边界中聚集，相互排斥推开其他原子，最终导致裂缝的形成和容器壁的破裂。
这对反应堆来说肯定是致命的，因为容器壁位于反应堆的最内部，不可能几个月就大拆一次进行更换吧？
那么要怎样才能让真空容器经受快中子的轰击，长寿耐用呢？研究团队创造性地在容器壁里掺入了一种嵌入能更低的材料，让氦原子优先聚集在里面，从而保护了金属的晶粒边界，延缓了容器壁的损伤。
这就像100万人的大城市里有100个坏蛋，他们都在市政厅工作，很快就会毁掉整座城市，但如果把他们分散到其他地方，比如在村里修一些娱乐设施，让他们去那儿玩，他们的破坏性就会小多了。
这种“娱乐设施”需要有原子可以沉降的较大“原子自由体积”，嵌入能量也需要比晶粒边界低，还要有能承受负载的良好机械强度，被中子轰击后不能有很强的放射性，以及与周围的金属既能相容又不能太紧密的属性，这样才能均匀地分布在金属中。
研究团队经过对5万种化合物的分析，最终确定用硅酸铁陶瓷纳米颗粒来建造这些“游乐设施”，并对样本进行了X 射线衍射 (XRD)检测。
结果表明，只要在金属中加入1%体积的这种陶瓷材料，就可以将氦气聚集的问题减少一半，并把氦气泡的直径缩小20%，大大降低了它们对金属的破坏力。
目前李巨团队已制造出了可用于商用3D打印的吸氦陶瓷纳米颗粒，并且成立了一家初创公司，致力于将这一突破性材料应用于未来的核聚变反应堆中。
这项研究由麻省理工能源计划（MITEI）及美国能源部多个国家实验室、韩国国家研究基金会等多家机构资助，标志着核聚变能源技术的一个重要进展，有望在未来实现更长寿命、更安全的“人造太阳”——核聚变反应堆的设计。
参考文献：
Demonstration of Helide formation for fusion structural materials as natural lattice sinks for helium,Acta Materialia,Volume 266,2024,119654,ISSN 1359-6454, doi:10.1016/j.actamat.2024.119654.