在地球上建造一颗恒星很难 研究人员正寻找更好的材料

核聚变是为太阳和所有其他恒星提供动力的过程。在核聚变过程中,两个原子核的距离足够近,它们融合在一起,释放出巨大的能量。在地球上复制这一过程,有可能提供几乎无限的电力,而且碳排放几乎为零,更加安全,也没有裂变过程中的核废料。但是,在地球上建造一颗迷你星,并在反应堆内将其固定在一起并非易事。它需要巨大的温度和压力以及极强的磁场。

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现在我们还没有能够承受这些极端情况的材料。但像研究人员正在努力开发它们,而且在这一过程中发现了一些令人兴奋的东西。

在地球上有许多方法来控制核聚变反应,但最常见的是使用一种叫做 “托卡马克”的甜甜圈形装置。在 “托卡马克”内,反应的燃料被称为氘和氚的氢的同位素,他们被加热到极高的温度直到它们变成等离子体。等离子体是指原子中的电子有足够的能量逃离原子核,并开始四处漂浮。因为它是由带电粒子组成的,与普通气体不同,它可以被包含在磁场中。这意味着它不会接触反应堆的两侧,而是以甜甜圈的形状漂浮在中间。

当氘和氚拥有足够的能量时,它们就会融合在一起,产生氦气、中子并释放能量。等离子体必须达到1亿摄氏度的温度,才能发生大量的聚变,比太阳中心的温度高10倍。它必须要热得多,因为太阳的粒子密度要高得多。

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虽然等离子反应被包含在一个磁场内,但反应堆本身仍然必须承受巨大的温度。预计将于2035年建成的世界上最大的核聚变实验:ITER,机器最热的部分将达到1300℃左右。即便如此,有时等离子体可能会与反应堆的墙壁发生碰撞。这可能会导致侵蚀、燃料被植入堆壁以及材料特性的改变。

在极端的温度之上,我们还必须考虑到氘和氚的聚变反应的副产品,如极高能量的中子。中子没有电荷,所以不能被磁场控制。这意味着它们会撞击反应堆的墙壁,造成破坏。所有这些令人难以置信的复杂挑战都促进了多年来材料的巨大进步。其中最引人注目的是高温超导磁体,它被各种不同的核聚变项目所使用。这些在低于液氮沸点的温度下表现为超导体。虽然这听起来很冷,但与其他超导体所需的更冷的温度相比,它是很高的。

在核聚变中,这些磁体距离托卡马克内部的高温仅有数米之遥,形成了巨大的温度梯度。这些磁体有可能产生比传统超导体强得多的磁场,这可以大大缩小核聚变反应堆的体积,并可能加速商业核聚变的发展。

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目前发现的一些新材料是为了应对我们在核聚变反应堆中抛出的各种粒子带来的挑战而设计的。目前最领先的是低活化钢,它的成分与传统钢不同,因此中子损伤导致的活化程度降低,除此之外还有被运用得非常普遍的钨金属。

科学界最酷的事情之一是,最初被视为潜在问题的东西可以变成积极的东西。核聚变也不例外,一个非常小众但值得注意的例子是钨绒毛。钨绒毛是在核聚变实验中暴露在氦等离子体中时在钨上形成的一种纳米结构。最初由于担心侵蚀而被认为是一个潜在的问题,现在已经开始研究非核聚变应用,包括太阳能水分裂–将其分解为氢气和氧气。

然而,没有任何材料是完美的,还有几个问题。这些问题包括大规模制造还原活化材料,以及钨的内在脆性,这使它的工作面临挑战。我们需要在现有的材料上进行改进和完善。

尽管核聚变材料领域取得了巨大的进步,但仍有很多工作要做。主要的问题是我们依靠几个代理实验来重现潜在的反应堆条件,并且必须尝试将这些数据拼接在一起,往往使用非常小的样品。详细的建模工作有助于推断材料性能的预测。如果我们能够在真实情况下测试我们的材料,那就更好了。

COVID-19大流行对材料学研究产生了重大影响,因为进行真实的生活实验更加困难。但继续开发和使用先进的模型来预测材料性能真的很重要。这可以与机器学习的进步相结合,确定我们需要关注的关键实验,并确定未来反应堆中的最佳材料。新材料的制造通常是小批量的,只专注于生产足够的实验材料。未来,将有更多的公司继续致力于核聚变领域研究,也会有更多的项目致力于实验反应堆或原型。

正因为如此,我们正到了需要更多地考虑产业化和发展供应链的阶段。随着我们越来越接近原型反应堆,并希望未来能有发电厂,发展强大的大规模供应链将是一个巨大的挑战。

作者为曼彻斯特大学核聚变研究员Aneeqa Khan。

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