鎢合金構建下一代核聚變材料

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）的研究人員宣于2022年底首次觀察到核聚變能量的淨增長，並展示了如何通過複製貝殼的結構來改進鎢合金。這項研究可能是一項里程碑式研究，因為聚變產生的巨大能量能為百萬家庭和企業提供碳中和途徑。然而，將這一成就轉化為實用的核能源需要創新技術，才能將聚變動力社會帶入現實。

維吉尼亞理工學院和州立大學以及西北太平洋國家實驗室的科學家們正在努力通過他們在材料研究方面的努力使這個目標成為現實。他們最近發表在《科學報告》上的工作包括鎢合金的情況，並表明如何通過複製貝殼的結構來改進這種金屬，以用於先進的核聚變反應堆。該研究的第一作者Jacob Haag說，這是在極小尺度上對這種材料介面的首次研究。他補充說，他們還揭示了一些支配材料的韌性和耐久性的基本機制。

太陽的核心溫度約為2700萬華氏度，由核聚變提供動力。在科學家們能夠利用這些反應的能量並將其轉化為動力之前，他們需要開發先進的核聚變反應堆，能夠承受聚變反應中出現的高溫和輻照條件。

在地球上現有的所有元素中，鎢的熔點是最高的。這使它成為核聚變反應堆的最佳材料之一。然而，這種金屬也可能是脆性的，需要與其他金屬混合減少脆性。將其與其他金屬，如鐵和鎳混合，可以幫助創造一種比鎢更堅硬的合金，但保留其高熔點特性。

研究人員使用一種特殊的熱軋方法，由於珍珠具有很高的強度，鎢重合金被製成具有類似貝殼中的珍珠母或珍珠的微結構。PNNL和維吉尼亞理工大學的研究小組對接近珍珠的重鎢合金進行了研究，以尋找潛在的核聚變應用。Haag表示：“我們試圖知道為什麼這些材料在金屬和合金領域具有幾乎聞所未聞的機械能力。”

為了檢查合金的微觀結構，Haag和他的團隊使用先進的技術，如掃描透射電子顯微鏡來分析合金的原子結構。此外，他們還致力於通過結合原子探針斷層掃描和能量色散X射線光譜來繪製材料的納米級組成。

重鎢合金是由兩個獨立的相組成的，它們在類似珍珠的結構內共存：一個是幾乎純鎢的 “硬性”相，一個是由鎳、鐵和鎢的組合組成的“延性”相。研究結果指出，不同相之間有很好的聯繫，包括緊密耦合的“硬性”和“延性”相，其為鎢重合金高強度的來源。

據PNNL的計算科學家和該研究的共同作者Wahyu Setyawan說：“這兩個不同的階段產生了一種堅韌的複合材料，但它們對生成高品質的表徵試樣構成了重大障礙。這使我們能夠暴露出相間邊界的精確結構和跨越這些邊界的化學分級，這要感謝我們團隊成員的精湛工作。”

這項工作顯示了重鎢合金中的強材料相互作用是如何受到晶體結構、幾何學和化學的影響的。它還顯示了加強聚變應用材料的設計和特性的方法。Haag表示如果這些雙相合金要在核反應爐內使用，其安全性和耐久性必須得到優化。

這項研究的結果已經在PNNL和科學研究界的多個層面上得到了擴展。PNNL也正在進行多尺度材料建模，以優化結構並測試具有不同介面的材料的強度。此外，他們正在努力觀察這些材料在聚變反應堆的極端溫度和輻照條件下的表現。

參考來源：https://interestingengineering.com/science/metal-alloys-may-support-nuclear-fusion-energy

• < 前一頁
• 下一個 >