美国科学家研制出超级合金，能够承受核聚变产生的类似太阳的高温

信息来源：https://interestingengineering.com/energy/new-alloys-for-fusion-reactors

核聚变反应堆面临的最大挑战之一正在迈阿密大学的一间实验室中寻找解决方案。机械工程师贾科莫·波及其团队正在开发能够承受数千万度高温和强烈辐射的新型材料，这些材料将成为实现商业化核聚变发电的关键要素。他们的研究重点是高熵合金，这类由五种或更多元素近等比例混合的新材料，有望取代目前的候选材料钨，成为未来聚变反应堆的核心结构材料。

波的团队采用了极其精密的研究方法，利用聚焦离子束将金属合金雕刻成比人类头发丝细数百倍的微观结构，然后通过强大的扫描电子显微镜观察这些材料在极端条件下的行为变化。这种纳米级的精密研究虽然规模微小，但其意义却极其重大——它可能为人类掌握太阳内部的核反应机制提供关键突破口。

当前核聚变技术面临的材料挑战几乎是前所未有的。在聚变反应堆内部，温度可达1亿摄氏度以上，等离子体产生的中子辐射会持续轰击反应堆壁材料，同时材料还要承受巨大的机械应力和热应力。这种极端环境对材料性能提出了近乎苛刻的要求：必须具备超高的熔点、优异的抗辐射性能、良好的热传导特性以及在长期辐射照射下保持结构稳定性。

从钨到高熵合金的材料革命

科学家测试有望在未来聚变反应堆中存活的新型合金。 迈阿密大学

钨作为目前聚变反应堆材料的主要候选者，具有所有金属中最高的熔点（3422摄氏度）和优异的热传导性能。国际热核聚变实验堆ITER项目就计划使用钨作为面向等离子体的材料。然而，即使是钨这样的"超级材料"，在聚变反应堆的极端环境中也暴露出明显的局限性。

钨在高能中子辐射下会发生嬗变反应，产生铼、锇等元素，导致材料脆化。更严重的是，钨在高温下会发生重结晶，晶粒长大会显著降低其韧性。此外，钨与氢同位素（氘、氚）的相互作用会导致氢脆现象，进一步恶化材料性能。

高熵合金的出现为解决这些问题提供了新的思路。与传统合金以一种或两种元素为主体不同，高熵合金由五种或更多元素以接近等原子比混合而成。这种独特的组成结构赋予了高熵合金四个显著特征：高熵效应稳定固溶体结构，晶格畸变效应提高强度，缓慢扩散效应改善高温稳性，以及鸡尾酒效应使性能可调控。

最新研究表明，某些钨基高熵合金在保持钨优异热学性能的同时，显著改善了其脆性问题。中科院安徽光机所开发的W-Ta-Cr-V高熵合金在1000摄氏度下仍保持良好的塑性，抗辐射性能也明显优于纯钨。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究显示，NbMoTaW高熵合金在14兆电子伏特中子辐照后，其显微硬度变化远小于纯钨。

辐射蠕变机制的深度解析

加利福尼亚州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火装置取得了核聚变突破。图片来源：达米安·杰米森/劳伦斯·利弗莫尔国家实验室

波的研究特别关注高熵合金在辐射环境下的蠕变行为，这是聚变材料研发中最复杂也最关键的问题之一。辐射蠕变是指材料在辐射和应力共同作用下发生的不可逆变形，这种现象会导致反应堆结构组件的尺寸变化，最终影响反应堆的安全运行。

传统材料的辐射蠕变机制相对简单，主要涉及辐射产生的点缺陷与位错的相互作用。但高熵合金由于其复杂的成分和结构，其辐射蠕变机制更加复杂。多种元素的存在会产生不同的辐射响应，元素间的相互作用会影响缺陷的产生、迁移和湮灭过程。

波的团队通过原位电镜实验和分子动力学模拟相结合的方法，系统研究了高熵合金在模拟聚变环境下的微观结构演化。他们发现，高熵合金中的元素分布不均匀性可以有效钉扎位错，提高材料的抗蠕变性能。同时，多元素体系中的复杂相互作用可以形成新的缺陷湮灭机制，减缓辐射损伤的累积。

这项研究的技术挑战在于如何在纳米尺度上准确模拟聚变环境。波的团队开发了一套完整的原位测试方法，可以在电镜内部实现高温加热、机械加载和离子辐照的同步进行。这种多物理场耦合的实验技术为理解材料在极端环境下的行为提供了前所未有的观测手段。

全球聚变材料竞赛格局

波的研究是全球聚变材料研发竞赛中的重要一环。目前，美国、欧盟、中国、日本等主要核聚变研发力量都在这一领域投入巨资。美国能源部的聚变材料科学计划每年投入超过1亿美元，重点发展钨基材料和先进钢材。欧盟的EUROfusion项目也将材料研发作为优先领域，特别关注钨材料的工程化应用。

中国在聚变材料领域起步较晚但发展迅速。中科院等离子体所、西北有色金属研究院等机构在钨材料制备和高熵合金开发方面取得重要进展。特别是在钨基复合材料和梯度材料方面，中国的研究水平已达到国际先进水平。

日本核融合科学研究所在聚变材料的辐射效应研究方面具有传统优势，其开发的RAFM钢已被国际热核聚变实验堆项目采用。韩国和印度也在积极发展相关技术，韩国的KSTAR装置为材料测试提供了重要平台。

私人投资的涌入正在加速聚变技术的发展步伐。过去五年中，超过100亿美元的私人资本投入到聚变初创企业中，这些企业大多采用不同于传统托卡马克的技术路线，对材料性能提出了新的要求。Commonwealth Fusion Systems、TAE Technologies等公司都在开发自己的材料解决方案。

商业化前景与技术挑战

尽管在材料研发方面取得了重要进展，但从实验室到商业应用仍面临巨大挑战。首先是材料的工程化制备问题。高熵合金虽然在实验室中显示出优异性能，但要实现大规模工业化生产仍需解决成本、工艺稳定性等问题。

其次是材料的长期性能验证。聚变反应堆的设计寿命通常为30-40年，但目前的材料测试大多只能验证短期性能。如何预测材料的长期行为，特别是在累积中子辐照剂量达到100-200位移每原子（dpa）时的性能变化，仍是重大挑战。

第三是材料与其他组件的兼容性问题。聚变反应堆是一个复杂的系统，材料不能孤立存在，必须与冷却剂、结构材料、磁体等组件协调工作。这要求材料不仅要满足自身性能要求，还要考虑系统的整体可靠性。

波对聚变能源的商业化前景保持乐观态度。他认为，随着材料技术的突破和工程技术的进步，聚变能源有望在未来20-30年内实现商业化应用。届时，人类将拥有一种几乎无限的清洁能源，从根本上改变能源格局和人类文明的发展轨迹。

这种变革的潜在影响是巨大的。稳定的聚变能源不仅可以解决气候变化问题，还能为海水淡化、氢气制备、工业加热等高耗能应用提供廉价电力，推动整个社会向可持续发展模式转型。