美国科学家成功研制出能抗击核聚变高温的神奇合金

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在迈阿密大学的一个实验室里，机械工程师贾科莫·波正在推动材料科学的边界。利用聚焦离子束，他把一种金属合金雕刻成比人类头发细数百倍的结构。

然后，在一台强大的扫描电子显微镜下，他研究它在应力和高温下的反应。

“我们对金属在高应力和高温下的行为感兴趣，”波解释道。“通过对样本的修改，我们能看到它在不同变形阶段的变化。”

这项精确的纳米级研究不仅仅局限于实验室。波的研究可能有助于解锁与太阳内部相同的核反应——聚变能量——这可能会成为清洁、无限电力的重大突破。

“聚变能量就像科学界的圣杯，是科学家们追寻了数十年的梦想，”波感慨道。

极端聚变条件下的材料

为了实现聚变反应堆，科学家们必须设计能够承受数千万度高温的材料。在这些反应堆内部，金属会遭受持续的辐射、极端的压力和炽热的高温。

钨因其强度和高熔点而成为当前的主要候选材料。然而，即使是钨在这些极端条件下也有其极限。研究人员现在开始关注一种新类型的材料，称为高熵合金，以取代钨。

“所以，我们正在深入研究高熵合金，”波在新闻稿中说道。

这些合金是通过将五种或更多元素几乎以相等的比例组合而成，因其强度、耐腐蚀性和高温稳定性而备受赞誉。不过，它们在辐射应力下的表现——被称为“辐照蠕变”——仍然不明。

“我们需要知道它们在聚变反应堆中能存活多久，它们会变得脆弱，”Po补充道。

在显微镜下测试合金

为了回答这个问题，Po和他的博士生们结合了高温变形实验、电子显微镜和先进的计算机建模。

“这种方法的好处是，我们能够把实验中观察到的现象转化为模型和方程，然后在同一尺度下测试模型和实验，”Po解释道。

“如果模型成立，我们就能更好地理解合金的性能，以及如何改进它们。”

美国能源部和国家科学基金会CAREER项目的资助支持了他的研究。Po强调，他们的工作是全球范围内一项庞大合作努力的一部分。

“我们正在研究实现聚变能源的一个方面。挑战非常多，而这一追求本质上是合作的，”他在声明中提到。

来自美国、中国、日本、印度、韩国和欧盟的团队都在为同一个目标而努力。在过去几年里，超过100亿美元的私人投资涌入了聚变初创公司。

最近的一些里程碑让这个梦想变得更加接近。在加利福尼亚的国家点火设施，科学家们首次实现了聚变反应的净能量增益。在英国，联合欧洲托卡马克在2023年关闭前，成功维持了69兆焦耳的聚变能量，持续了五秒钟，仅使用了0.2毫克的燃料。

“核聚变能真的可以改变世界，”波说。

他提醒大家，核聚变与裂变不同，而裂变是通过分裂原子来产生放射性废物。“相反，想象一下把这些原子结合在一起，”他解释道。核聚变将两个轻原子核合并成一个更重的原子核，释放出巨大的 清洁能源。

“想象一下一个电网，它由一种稳定、低成本且丰富的能源供电，这种能源不依赖于化石燃料的燃烧，也不受风能和太阳能的不稳定性影响。电动汽车几乎没有充电成本。从海洋中净化水，去除盐分，”波说。“这就是核聚变能源所带来的希望。”