美国在1112华氏度下测试超级核反应堆钢材，推动未来聚变能源发展

研究人员正在开发一种含有数十亿纳米级碳化钛（TiC）颗粒的低活化铁素体/马氏体（RAFM）钢。

一种旨在承受聚变能反应堆内部极端条件的新型先进钢材，在测试显示其在高辐射水平下会发生膨胀后，需要进一步开发。这一发现来自密歇根大学（U-M）工程师领导的一系列研究。

“这些结果代表了关于聚变相关钢材辐射耐受性的一些最高保真度的结果，将在未来数年指导合金开发和辐射效应模型的改进，”密歇根大学核工程与放射科学教授、这些研究的资深作者凯文·菲尔德（Kevin Field）说。

聚变能通过结合轻原子来产生能量，正被探索作为裂变能源更清洁、更可持续的替代方案。然而，建造聚变反应堆是一项重大的工程挑战。反应堆部件必须承受高达600摄氏度（1112华氏度）的温度，并且能够抵抗辐射损伤和氦气的产生 —— 氦气会导致材料膨胀和扭曲。

轰击钢材样品

为解决这个问题，研究人员一直在开发一种含有数十亿纳米级碳化钛（TiC）析出物的低活化铁素体/马氏体（RAFM）钢。这些颗粒旨在捕获聚变反应产生的氦气，防止材料膨胀。密歇根大学团队专门测试了一种名为“可浇注纳米结构9号合金”（CNA9）的新一代RAFM合金。

密歇根大学团队采用了一种突破性的方法，使用粒子加速器同时用两种离子束轰击钢材样品：一种用于造成辐射损伤，另一种用于引入氦气。这种方法比以往孤立测试这些因素的实验更准确地模拟了聚变反应堆内部的条件。

在高损伤水平下溶解

他们的测试表明，虽然碳化钛析出物在较低辐射水平下成功捕获了氦气，但在高损伤水平下（每原子50至100次位移，简称dpa），它们开始溶解。一旦颗粒溶解，合金就失去了捕获氦气的能力，导致显著的2%膨胀。

“在高辐射剂量（>15 dpa）下的结果令人惊讶，因为我们预计在评估的最高温度下，碳化钛析出物仍会保持稳定，但显然情况并非如此，”密歇根大学核工程与放射科学教授、论文的资深作者凯文·菲尔德说。

研究人员称这些发现是关于聚变相关钢材的“最高保真度结果”之一，为未来的合金开发提供了关键指导。

防止膨胀

研究团队建议，将碳化钛析出物的密度增加1000倍可能更有效地防止膨胀。他们还建议进行进一步的离子束测试，以更好地模拟聚变反应堆的复杂环境。

“这种能力至关重要，因为我们正在努力发现和优化材料，以实现未来核聚变能源的部署，”该研究的主要作者T.M. 凯尔西·格林（T.M. Kelsy Green）强调道。

尽管聚变能潜力巨大 —— 它可以利用海水中的氢同位素运行，并且不会带来核熔毁的风险 —— 但该技术目前仍未准备好用于小型发电厂。

“在高辐照剂量下碳化钛析出物的溶解为未来的开发工作提供了宝贵的指导，强调了在CNA钢设计中需要更稳定的碳化钛析出物，”合著者应扬（音译）总结道。

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