研究人員利用鎢來實現核聚變能源

太平洋西北國家實驗室（PNNL）和維吉尼亞理工學院和州立大學的研究人員利用鎢（W）材料研究來實現通過核聚變產生能量的目標。在《科學報告》雜誌上發表的這篇論文中，研究人員提出了通過模仿海貝殼結構來改進W重合金來實現核聚變能源。

該論文的第一作者Jacob Haag解釋說，太陽的核心溫度約為2700萬華氏度—是由核聚變驅動的。因此，融合反應產生大量熱量是巨大的。這意味著，在科學家們能夠將融合能量作為電源之前，他們需要創建能夠承受融合反應所帶來的高溫和輻射條件的先進核聚變反應堆。

（圖片來源: Composite image courtesy of the Korea Institute of Fusion Energy）

W是具有最高熔點之一的元素，這使它成為融合反應堆中使用的最具吸引力的材料。然而，W也可能非常脆弱。將其與少量其他金屬（如鎳和鐵）混合，可形成比純W更堅韌且保持高熔點溫度的合金。

根據Haag的說法，這些W重合金的性質不僅來自于它們的成分—材料的熱力學處理也可以改變拉伸強度和斷裂韌性等性質。一種特殊的熱軋技術在W重合金中產生了模仿海貝殼中珍珠母的微觀結構。通常來說珍珠母具有非凡的強度。PNNL和Virginia Tech研究團隊調查了這些模仿珍珠母的W重合金在潛在核聚變應用中的作用。

為了更近距離地觀察合金的微觀結構，Haag及其小組使用掃描透射電子顯微鏡觀察原子結構。他們還使用能量色散X射線光譜學和原子探針斷層成像相結合來繪製材料介面的納米級組成。

在類似於珍珠母貝殼的結構內，W重合金由兩個不同相組成：幾乎純粹鎢的“硬性”相和含有鎳、鐵和鎢混合物的“柔性”相。研究結果表明，W重合金高強度來源於不同相之間優異粘接，包括緊密粘接“硬性”和“柔性”兩個相。

（圖片來源: www.bbc.com）

“儘管兩個不同的相形成了堅固的複合材料，但它們在為表徵準備高品質樣品時帶來了重大挑戰，”PNNL計算科學家、此論文的合著者Wahyu Setyawan在新聞發佈會上說。“我們團隊成員在這方面做得非常出色，使我們能夠揭示相介面的詳細結構以及這些介面上化學梯度。”

該研究展示了晶體結構、幾何形狀和化學如何促進鎢重合金中強大材料介面。它還揭示了改善材料設計和性能以實現核聚變能源。“如果要在核反應爐內部使用這些雙相合金，則有必要對其進行優化以確保安全和長壽，”Haag說。

參考來源: https://www.mining.com/how-tungsten-can-help-make-nuclear-fusion-energy-a-reality/

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