科学家为核聚变反应堆寻找改变游戏规则的材料

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核聚变为解决我们面临的能源挑战提供了一个前景广阔的解决方案，它有可能提供几乎无限的电力来源，而且没有温室气体排放。 然而，这在技术上仍然存在重大障碍，特别是在聚变反应堆所需的材料方面，这些反应堆依赖于能够承受等离子体界面极端条件的材料。

EPFL 的研究人员正在测试用于聚变反应堆的新材料。 通过计算筛选，他们找到了潜在的钨替代品，它们可以更好地承受核聚变的挑战，从而有可能推动核聚变能源技术的发展。 (2017年，美国圣地亚哥，一名工人在聚变实验反应堆的真空容器内）。 图片来源：Rswilcox, CC BY-SA 4.0 via Wikimedia Commons

国际热核聚变实验堆项目是正在法国南部建造的一个实验性欧洲反应堆，其中包括一个名为”分流器”的关键部件。 该装置提取聚变反应产生的热量和灰烬，并将等离子体中的热量和粒子流导入特定表面进行冷却。 分流器面向等离子体的材料不仅必须承受极高的温度，还必须经受中子、电子、带电离子和高能辐射的持续冲击。

由于钨具有超强的耐热性，ITER 选择钨作为分流器的材料。 不过，之前也考虑过其他材料，如碳纤维和陶瓷。 随着研究人员继续探索能更好地满足核聚变独特要求的替代材料，钨是否仍将是未来反应堆的最佳选择，这个问题依然存在。

理论和计算方法能否帮助寻找最佳的分流器材料，从而促进核聚变的实现？ 尼古拉-马尔扎里（Nicola Marzari）在洛桑联邦理工学院 MARVEL 实验室的科学家们决定回答这个问题，他们在PRX能源杂志上发表了一篇新文章，介绍了一种大规模筛选潜在等离子体材料的方法，以及一份最有前途材料的短名单。

首先，科学家们必须找到一种可处理的计算方法。THEOS 实验室的博士生、论文第一作者 Andrea Fedrigucci 说：”要真实模拟等离子体-材料界面的动态，就必须在几毫秒内模拟数千个原子的行为，这在普通计算能力下是不可行的。因此，我们决定选择面向等离子体的材料需要具备的几个关键特性，并用它们来表明材料在分流器上的性能如何。”

首先，科学家们查看了鲍林文件数据库（一个已知无机晶体结构的大集合），并创建了一个工作流程，以找到那些具有足够耐受反应堆内温度的晶体。 这可以通过观察它们的热容量、热导率、熔化温度和密度来了解。 由于材料层的表面温度取决于其厚度，他们还计算了每种材料在熔化前的最大厚度，并据此对材料进行了排序。 对于无法计算出最大厚度信息的材料，他们采用了帕累托优化法，根据上述特性进行排序。

入围程序开始

结果，第一批入围名单上有 71 个候选。 在这一阶段，必须使用一种非常非计算性的老式方法。

“我耐心地查阅了每一种材料的相关文献，以检查它们是否已经过测试并被废弃，或者是否存在数据库中没有的妨碍在聚变反应堆中使用的特性，例如在等离子体和中子轰击下容易被侵蚀或热性能下降等。”

有趣的是，这部分研究导致放弃了一些最近被提议应用于聚变反应堆的创新材料，如高熵合金作为分流器材料。

最终选择有前途的材料

最终，21 种材料被选中，并应用 DFT 工作流程计算出优秀等离子体聚变材料应具备的两个关键属性：表面结合能（衡量从表面提取原子的难易程度）和氢间隙的形成能（衡量晶体结构中氚溶解度的代表）。

Fedrigucci说：”如果分流器材料在其运行寿命期间受到过度侵蚀，释放出的原子就会分散到等离子体中，导致其温度降低。此外，如果材料与氚发生化学反应，就会减少可用于核聚变的氚，并导致氚库存积累，从而超出此类技术的安全限制。”

最后，根据所有关键特性得出的最终排名包括一些已经过广泛测试的常见物质：金属（W）和碳化物（WC 和 W2C）形式的钨、金刚石和石墨、氮化硼以及钼、钽和铼等过渡金属。 但也有一些惊喜，例如氮化钽的一种特殊相或其他基于硼和氮的陶瓷，它们从未在这种应用中进行过测试。

研究小组希望在未来利用神经网络更好地模拟材料在反应堆中的真实情况，包括与中子的相互作用，而这些在这里是无法模拟的。

编译自/ScitechDaily