國外學者探索非鎢的核聚變反應堆面向等離子體材料

在能源科學的前沿，科學家們正致力於將核聚變這一清潔能源夢想變為現實。然而，這一目標的實現並非易事，其中一項重要的技術挑戰在於，選擇和開發能夠承受極端工作條件的面向等離子體材料（Plasma-Facing Material, PFM），這些苛刻條件包括極高的溫度、持續的中子、電子、帶電離子和高能輻射的衝擊。

目前已經得到廣泛認可的面向等離子體材料是鎢。鎢作為自然界中熔點最高的金屬（熔點3422℃），具有極高的密度、良好的熱導率、優異的抗輻射性能和抗濺射性能，這些特性使其在高溫環境下能夠保持穩定的結構和性能，成為核聚變反應堆中第一壁和偏濾器等關鍵部件的首選材料。鎢作為面向等離子體材料，已經成功應用在了多個核聚變研究裝置中，如法國WEST（全鎢偏濾器托卡馬克核聚變實驗裝置），歐洲ITER（國際熱核聚變實驗堆）以及中國EAST（東方超環，全超導托卡馬克核聚變實驗裝置）等。

儘管如此，鎢的高溫易氧化和脆化問題仍在限制其在高熱負荷區域的應用。為了克服這一局限，科學家們一方面正在積極研究先進鎢材料的增韌技術，另一方面也在不斷探索新的替代方案，尋找非鎢的面向等離子體材料。

瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）MARVEL實驗室的研究人員致力於通過理論和計算方法，尋找能夠承受核聚變極端條件的材料，以替代現有的鎢材料。他們開發了一種大規模篩選潛在面向等離子體材料的方法，並列出了一系列最有前景的候選材料。相關成果以《Comprehensive Screening of Plasma-Facing Materials for Nuclear Fusion》為題發表在《PRX Energy》期刊上。

研究人員首先通過Pauling檔資料庫，一個包含大量已知無機晶體結構的大型集合，篩選出具有足夠耐熱性能以在反應堆溫度中存活的材料。他們考慮了材料的熱容量、熱導率、熔點和密度等關鍵性質，並計算了每種材料在熔化前的最大厚度，從而對其進行排名。對於那些無法計算最大厚度的材料，他們採用了Pareto優化方法進行排名。

經過初步篩選，研究人員得到了71種候選材料。隨後，他們通過查閱文獻，排除了那些已經被測試並淘汰或具有在核聚變反應堆中無法使用的性質的材料。例如，一些最近被提出應用於核聚變反應堆的創新材料，如高熵合金，就在這一階段被淘汰。

最終，研究人員確定了21種最有前景的材料，並應用密度泛函理論（DFT）工作流程計算了這些材料的兩個關鍵性質：表面結合能和氫間隙形成能，這兩個指標分別衡量了從表面提取原子的難易程度以及晶體結構中的氚溶解度，是衡量材料是否適合作為核聚變反應堆面向等離子體材料的重要指標。

在最終排名中，除了鎢及其碳化物（碳化鎢，WC和W2C）、金剛石、石墨、氮化硼以及過渡金屬（如鉬、鉭和錸）等已經過廣泛測試的材料外，還有一些令人驚訝的新發現，如氮化鉭的特定相以及其他基於硼和氮的陶瓷材料，這些材料此前從未被測試過用於核聚變應用。

根據最終排名，面向等離子體材料的最佳候選者是金剛石，其熱性能和氫間隙形成能優於大多數替代品，但是其低於石墨的抗物理濺射能力和氫滯留問題將是其成為面相等離子材料研究中難以攻克的瓶頸。曾經被研究過的金剛石和類金剛石碳作為塗層的應用方案可能更具吸引力，但是過往的研究文獻中缺少對偏濾器區域等離子體通量下金剛石侵蝕率的實際估計。而金剛石複合材料的應用則需要進一步研究降解過程對偏濾器條件下金剛石熱性能和晶粒內氫溶解度的影響。

未來，MARVEL實驗室的研究團隊計畫利用神經網路技術，以更精確地模擬材料在反應堆中的實際情況，包括中子的相互作用等複雜過程。這將有助於進一步篩選和優化面向等離子體材料，為核聚變清潔能源的商業化應用提供更多可能。

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