钨合金构建下一代核聚变材料

劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）的研究人员宣于2022年底首次观察到核聚变能量的净增长，并展示了如何通过复制贝壳的结构来改进钨合金。这项研究可能是一项里程碑式研究，因为聚变产生的巨大能量能为百万家庭和企业提供碳中和途径。然而，将这一成就转化为实用的核能源需要创新技术，才能将聚变动力社会带入现实。

弗吉尼亚理工学院和州立大学以及西北太平洋国家实验室的科学家们正在努力通过他们在材料研究方面的努力使这个目标成为现实。他们最近发表在《科学报告》上的工作包括钨合金的情况，并表明如何通过复制贝壳的结构来改进这种金属，以用于先进的核聚变反应堆。该研究的第一作者Jacob Haag说，这是在极小尺度上对这种材料界面的首次研究。他补充说，他们还揭示了一些支配材料的韧性和耐久性的基本机制。

太阳的核心温度约为2700万华氏度，由核聚变提供动力。在科学家们能够利用这些反应的能量并将其转化为动力之前，他们需要开发先进的核聚变反应堆，能够承受聚变反应中出现的高温和辐照条件。

在地球上现有的所有元素中，钨的熔点是最高的。这使它成为核聚变反应堆的最佳材料之一。然而，这种金属也可能是脆性的，需要与其他金属混合减少脆性。将其与其他金属，如铁和镍混合，可以帮助创造一种比钨更坚硬的合金，但保留其高熔点特性。

研究人员使用一种特殊的热轧方法，由于珍珠具有很高的强度，钨重合金被制成具有类似贝壳中的珍珠母或珍珠的微结构。PNNL和弗吉尼亚理工大学的研究小组对接近珍珠的重钨合金进行了研究，以寻找潜在的核聚变应用。Haag表示：“我们试图知道为什么这些材料在金属和合金领域具有几乎闻所未闻的机械能力。”

为了检查合金的微观结构，Haag和他的团队使用先进的技术，如扫描透射电子显微镜来分析合金的原子结构。此外，他们还致力于通过结合原子探针断层扫描和能量色散X射线光谱来绘制材料的纳米级组成。

重钨合金是由两个独立的相组成的，它们在类似珍珠的结构内共存：一个是几乎纯钨的 “硬性”相，一个是由镍、铁和钨的组合组成的“延性”相。研究结果指出，不同相之间有很好的联系，包括紧密耦合的“硬性”和“延性”相，其为钨重合金高强度的来源。

据PNNL的计算科学家和该研究的共同作者Wahyu Setyawan说：“这两个不同的阶段产生了一种坚韧的复合材料，但它们对生成高质量的表征试样构成了重大障碍。这使我们能够暴露出相间边界的精确结构和跨越这些边界的化学分级，这要感谢我们团队成员的精湛工作。”

这项工作显示了重钨合金中的强材料相互作用是如何受到晶体结构、几何学和化学的影响的。它还显示了加强聚变应用材料的设计和特性的方法。Haag表示如果这些双相合金要在核反应堆内使用，其安全性和耐久性必须得到优化。

这项研究的结果已经在PNNL和科学研究界的多个层面上得到了扩展。PNNL也正在进行多尺度材料建模，以优化结构并测试具有不同界面的材料的强度。此外，他们正在努力观察这些材料在聚变反应堆的极端温度和辐照条件下的表现。

参考来源：https://interestingengineering.com/science/metal-alloys-may-support-nuclear-fusion-energy

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