2022年底，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員宣布，他們首次觀察到核聚變帶來(lái)了凈能量增益。這一邁向聚變能源的巨大里程碑代表了用碳中和能源為我們的家庭和企業(yè)提供動(dòng)力的巨大飛躍。但是，將這一科學(xué)成就轉(zhuǎn)化為實(shí)用的動(dòng)力源也需要新技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)聚變動(dòng)力社會(huì)。

太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)和弗吉尼亞理工學(xué)院以及州立大學(xué)(弗吉尼亞理工大學(xué))的科學(xué)家正在通過(guò)他們的材料研究工作幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。他們最近的工作發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》上，為鎢重合金提供了理由，并展示了如何通過(guò)模仿貝殼的結(jié)構(gòu)來(lái)改進(jìn)它們以用于先進(jìn)的核聚變反應(yīng)堆。

“這是第一次在如此小的長(zhǎng)度尺度上觀察這些材料界面的研究，”該研究論文的第一作者Jacob Haag說(shuō)。“通過(guò)這樣做，我們揭示了控制材料韌性和耐用性的一些基本機(jī)制。

耐熱

太陽(yáng)的核心溫度約為2700萬(wàn)華氏度，由核聚變提供動(dòng)力。因此，聚變反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量也就不足為奇了。在科學(xué)家能夠利用聚變能作為動(dòng)力源之前，他們需要制造先進(jìn)的核聚變反應(yīng)堆，能夠承受聚變反應(yīng)帶來(lái)的高溫和輻射條件。

在地球上的所有元素中，鎢具有最高的熔點(diǎn)之一。這使其成為用于聚變反應(yīng)堆的特別有吸引力的材料。但是，它也可能非常脆。將鎢與少量其他金屬(如鎳和鐵)混合，會(huì)產(chǎn)生一種比單獨(dú)使用鎢更堅(jiān)韌的合金，同時(shí)保持其高熔化溫度。

賦予這些鎢合金性能的不僅僅是它們的成分，材料的熱機(jī)械處理會(huì)改變拉伸強(qiáng)度和斷裂韌性等性能。一種特殊的熱軋技術(shù)在鎢重合金中產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)，模仿貝殼中珍珠層(也稱為珍珠母)的結(jié)構(gòu)。眾所周知，珍珠層除了具有美麗的彩虹色外，還表現(xiàn)出非凡的力量。PNNL和弗吉尼亞理工大學(xué)的研究小組研究了這些珍珠層模擬鎢重合金的潛在核聚變應(yīng)用。

“我們想了解為什么這些材料在金屬和合金領(lǐng)域表現(xiàn)出幾乎前所未有的機(jī)械性能，”Haag說(shuō)。

檢查微觀結(jié)構(gòu)的主要韌性

為了仔細(xì)觀察合金的微觀結(jié)構(gòu)，Haag和他的團(tuán)隊(duì)使用了先進(jìn)的材料表征技術(shù)，例如掃描透射電子顯微鏡來(lái)觀察原子結(jié)構(gòu)。他們還使用能量色散X射線光譜和原子探針斷層掃描的組合繪制了材料界面的納米級(jí)組成。

在珍珠層狀結(jié)構(gòu)中，鎢合金由兩個(gè)不同的相組成：幾乎純鎢的“硬”相和含有鎳，鐵和鎢混合物的“延展性”相。研究結(jié)果表明，鎢合金的高強(qiáng)度來(lái)自于不同相之間的良好結(jié)合，包括緊密結(jié)合的“硬”和“延展性”相。

“雖然這兩個(gè)不同的階段創(chuàng)造了一個(gè)艱難的復(fù)合材料，但它們?cè)谥苽涓哔|(zhì)量樣品進(jìn)行表征方面提出了重大挑戰(zhàn)，”PNNL計(jì)算科學(xué)家兼該論文的共同作者Wahyu Setyawan說(shuō)。“我們的團(tuán)隊(duì)成員在這方面做得非常出色，這使我們能夠揭示相間邊界的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)以及跨越這些邊界的化學(xué)級(jí)變。

該研究展示了晶體結(jié)構(gòu)、幾何形狀和化學(xué)性質(zhì)如何有助于鎢合金中的強(qiáng)材料界面。它還揭示了改善聚變應(yīng)用材料設(shè)計(jì)和性能的機(jī)制。

“如果要將這些雙相合金用于核反應(yīng)堆的內(nèi)部，就必須優(yōu)化它們的安全性和使用壽命，”Haag說(shuō)。

構(gòu)建下一代聚變材料

本研究中提出的研究結(jié)果已經(jīng)在PNNL和科學(xué)研究界的許多方面得到了進(jìn)一步的擴(kuò)展。PNNL正在進(jìn)行多尺度材料建模研究，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)，化學(xué)和測(cè)試不同材料界面的強(qiáng)度，以及實(shí)驗(yàn)研究，以觀察這些材料在聚變反應(yīng)堆的極端溫度和輻照條件下的行為。

“對(duì)于聚變能源來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻，白宮和私營(yíng)部門重新產(chǎn)生了興趣。我們?cè)趯ふ议L(zhǎng)期運(yùn)行的材料解決方案方面所做的研究對(duì)于加速聚變反應(yīng)堆的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要，“Setyawan說(shuō)。

其他PNNL作者是Jing Wang(前PNNL)，Karen Kruska，Matthew Olszta，Charles Henager，Danny Edwards和Mitsu Murayama，他也與弗吉尼亞理工大學(xué)聯(lián)合任命。

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