美国核聚变关键材料突破？或带来长寿命、更安全的“人造太阳”！

核聚变发电目前主要面临两个挑战，一是如何实现输出能量大于输入能量，二是如何有效地输出并利用这些能量。

第一个挑战在美国国家点火装置的惯性约束实验中已有初步突破，而磁约束的托卡马克装置则还在持续的研究中。

第二个挑战则是找到一种关键材料，让巨大的能量可以安全地传导，而不会对材料本身造成严重损伤。

麻省理工学院材料科学与工程教授李巨领导的团队，已经开发出了一种突破性的陶瓷材料，可用于制造核聚变反应堆核心的真空容器壁，从而延长其使用寿命。

这项研究的部分成果已发表在今年3月的《材料学报》上，麻省理工学院新闻办公室在8月19日对此进行了详细报道。

核聚变反应堆发电的基本原理，是利用聚变产生的高动能快中子加热真空容器壁后的冷却剂，产生蒸汽驱动涡轮机发电。

与核裂变反应不同，核聚变产生的中子能量更高，因而对材料的破坏性更大。

虽然核裂变反应堆的材料可以使用很多年，但核聚变反应堆的真空容器壁却可能在6到12个月内失效，这是因为高能中子与容器壁中的原子核相互作用，生成的氦原子会在金属中“嵌入能”较低的地方，——晶粒边界中聚集，相互排斥推开其他原子，最终导致裂缝的形成和容器壁的破裂。

这对反应堆来说肯定是致命的，因为容器壁位于反应堆的最内部，不可能几个月就大拆一次进行更换吧？

那么要怎样才能让真空容器经受快中子的轰击，长寿耐用呢？研究团队创造性地在容器壁里掺入了一种嵌入能更低的材料，让氦原子优先聚集在里面，从而保护了金属的晶粒边界，延缓了容器壁的损伤。

这就像100万人的大城市里有100个坏蛋，他们都在市政厅工作，很快就会毁掉整座城市，但如果把他们分散到其他地方，比如在村里修一些娱乐设施，让他们去那儿玩，他们的破坏性就会小多了。

这种“娱乐设施”需要有原子可以沉降的较大“原子自由体积”，嵌入能量也需要比晶粒边界低，还要有能承受负载的良好机械强度，被中子轰击后不能有很强的放射性，以及与周围的金属既能相容又不能太紧密的属性，这样才能均匀地分布在金属中。

研究团队经过对5万种化合物的分析，最终确定用硅酸铁陶瓷纳米颗粒来建造这些“游乐设施”，并对样本进行了X 射线衍射 (XRD)检测。

结果表明，只要在金属中加入1%体积的这种陶瓷材料，就可以将氦气聚集的问题减少一半，并把氦气泡的直径缩小20%，大大降低了它们对金属的破坏力。

目前李巨团队已制造出了可用于商用3D打印的吸氦陶瓷纳米颗粒，并且成立了一家初创公司，致力于将这一突破性材料应用于未来的核聚变反应堆中。

这项研究由麻省理工能源计划（MITEI）及美国能源部多个国家实验室、韩国国家研究基金会等多家机构资助，标志着核聚变能源技术的一个重要进展，有望在未来实现更长寿命、更安全的“人造太阳”——核聚变反应堆的设计。

参考：

Demonstration of Helide formation for fusion structural materials as natural lattice sinks for helium,Acta Materialia,Volume 266,2024,119654,ISSN 1359-6454, doi:10.1016/j.actamat.2024.119654.