国外学者探索非钨的核聚变反应堆面向等离子体材料

在能源科学的前沿，科学家们正致力于将核聚变这一清洁能源梦想变为现实。然而，这一目标的实现并非易事，其中一项重要的技术挑战在于，选择和开发能够承受极端工作条件的面向等离子体材料（Plasma-Facing Material, PFM），这些苛刻条件包括极高的温度、持续的中子、电子、带电离子和高能辐射的冲击。

目前已经得到广泛认可的面向等离子体材料是钨。钨作为自然界中熔点最高的金属（熔点3422℃），具有极高的密度、良好的热导率、优异的抗辐射性能和抗溅射性能，这些特性使其在高温环境下能够保持稳定的结构和性能，成为核聚变反应堆中第一壁和偏滤器等关键部件的首选材料。钨作为面向等离子体材料，已经成功应用在了多个核聚变研究装置中，如法国WEST（全钨偏滤器托卡马克核聚变实验装置），欧洲ITER（国际热核聚变实验堆）以及中国EAST（东方超环，全超导托卡马克核聚变实验装置）等。

尽管如此，钨的高温易氧化和脆化问题仍在限制其在高热负荷区域的应用。为了克服这一局限，科学家们一方面正在积极研究先进钨材料的增韧技术，另一方面也在不断探索新的替代方案，寻找非钨的面向等离子体材料。

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）MARVEL实验室的研究人员致力于通过理论和计算方法，寻找能够承受核聚变极端条件的材料，以替代现有的钨材料。他们开发了一种大规模筛选潜在面向等离子体材料的方法，并列出了一系列最有前景的候选材料。相关成果以《Comprehensive Screening of Plasma-Facing Materials for Nuclear Fusion》为题发表在《PRX Energy》期刊上。

研究人员首先通过Pauling文件数据库，一个包含大量已知无机晶体结构的大型集合，筛选出具有足够耐热性能以在反应堆温度中存活的材料。他们考虑了材料的热容量、热导率、熔点和密度等关键性质，并计算了每种材料在熔化前的最大厚度，从而对其进行排名。对于那些无法计算最大厚度的材料，他们采用了Pareto优化方法进行排名。

经过初步筛选，研究人员得到了71种候选材料。随后，他们通过查阅文献，排除了那些已经被测试并淘汰或具有在核聚变反应堆中无法使用的性质的材料。例如，一些最近被提出应用于核聚变反应堆的创新材料，如高熵合金，就在这一阶段被淘汰。

最终，研究人员确定了21种最有前景的材料，并应用密度泛函理论（DFT）工作流程计算了这些材料的两个关键性质：表面结合能和氢间隙形成能，这两个指标分别衡量了从表面提取原子的难易程度以及晶体结构中的氚溶解度，是衡量材料是否适合作为核聚变反应堆面向等离子体材料的重要指标。

在最终排名中，除了钨及其碳化物（碳化钨，WC和W2C）、金刚石、石墨、氮化硼以及过渡金属（如钼、钽和铼）等已经过广泛测试的材料外，还有一些令人惊讶的新发现，如氮化钽的特定相以及其他基于硼和氮的陶瓷材料，这些材料此前从未被测试过用于核聚变应用。

根据最终排名，面向等离子体材料的最佳候选者是金刚石，其热性能和氢间隙形成能优于大多数替代品，但是其低于石墨的抗物理溅射能力和氢滞留问题将是其成为面相等离子材料研究中难以攻克的瓶颈。曾经被研究过的金刚石和类金刚石碳作为涂层的应用方案可能更具吸引力，但是过往的研究文献中缺少对偏滤器区域等离子体通量下金刚石侵蚀率的实际估计。而金刚石复合材料的应用则需要进一步研究降解过程对偏滤器条件下金刚石热性能和晶粒内氢溶解度的影响。

未来，MARVEL实验室的研究团队计划利用神经网络技术，以更精确地模拟材料在反应堆中的实际情况，包括中子的相互作用等复杂过程。这将有助于进一步筛选和优化面向等离子体材料，为核聚变清洁能源的商业化应用提供更多可能。

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