原创 新材料国际情报 新材料国际情报中心2025年01月09日 10:58 陕西
想象一下，如果我们可以把太阳的能量，放在一个容器里，用它来为世界提供绿色、可持续能源，那么建立商业核聚变发电厂这一想法将成为现实。但是，在我们以这种方式成功利用核聚变能量之前，还有几个科学挑战需要克服。
美国能源部（DOE）艾姆斯国家实验室和爱荷华州立大学的研究人员正在努力克服材料方面的挑战，使商业核聚变成为现实。这些研究属于美国能源部高级研究计划局能源（ARPA-E）项目的一部分，被称为“CHADWICK”计划，他们的主要研究方向是核聚变反应堆第一壁材料。第一壁是围绕聚变反应的结构，所以它承受着聚变反应堆堆芯极端环境的冲击。
第一壁各层材料
ARPA-E最近选定了CHADWICK计划下的13个项目。在这13个项目中，艾姆斯实验室主导了其中一个项目，并同时与爱荷华州立大学合作进行着由太平洋西北国家实验室（PNNL）主导的另一个项目。
艾姆斯实验室的科学家、其中一个项目的负责人Nicolas Argibay表示，利用核聚变发电的关键挑战之一是控制产生能量的等离子体核。等离子体就像一个微型太阳，需要由能够承受极端温度、辐照和磁场的材料包裹，同时还能有效提取热量并转化为电能。
Argibay解释说：“在反应堆堆芯中，等离子体被一个强大的磁场所包围，而第一壁将围绕着这个环境。第一壁有两层材料，一层最接近强磁场和等离子体环境，另一层则协助将反应堆中的能量转化至系统其他部分。”
第一层材料需要结构合理，经得起时间的侵蚀和开裂。Argibay还表示，它不会长时间保持放射性，因此可以在不危及工作人员的情况下打开和关闭反应堆进行维护。他主导的项目主要集中在第一层材料上。
Argibay谈道：“这些材料很难制造和管理，我认为我们艾姆斯实验室带来的东西之一是材料设计的独特能力，而且非常重要的是，拥有处理它们的能力。在我主导的项目中，我们通常使用钨作为主要成分，除了某些形式的碳，比如钻石，这是元素周期表上熔化温度最高的元素。”
由于ARPA-E和艾姆斯实验室最近投资，处理和测试具有极高熔化温度的难熔材料所需设施已经成为可能。在Argibay的实验室里，他们获得了第一个商业化的、模块化的、可定制的、开放式架构的平台，用于制造难熔材料和探索先进的智能制造方法，并使其工艺更高效、更可靠。
Argibay说：“我们基本上可以制造包括纯钨在内的合金铸件和粉末，纯钨是除钻石外熔化温度最高的元素。”Argibay表示，到2025年春季，他们将有两个额外的系统，用于在实验室规模和中试规模生产这些难熔材料。小批量生产（实验室规模）比大批量生产（试点规模）更容易，但大批量生产对于收集有意义和有用的数据非常重要，这些数据可以转化为工业界的应用。
Ames实验室的额外投资为Argibay提供了在相关温度下测量难熔材料机械性能的能力。能够测量远高于1000C（1832F）的系统是非常少见的，Ames实验室目前拥有美国唯一的商业测试器，可以在高达1500C（2732F）的温度下测量合金的拉伸性能，这使得实验室在支持工艺科学和合金设计方面处于独特的地位。
艾姆斯实验室的另一位科学家乔Jordan Tiarks参与了PNNL主导的项目，他专注于该反应堆研究的另一个方向。他的团队依靠Ames实验室在气体雾化、粉末冶金和技术转移到工业领域的35年领先经验来开发第一壁结构材料。Tiarks谈道：“第一壁结构材料实际上是将其他材料连接在一起的部分，你需要考虑设计的复杂性和更高的结构强度。还可能会需要思考其他方面的问题，比如将冷却通道集成在结构壁中，这样我们就可以利用所有的热量，而不只是融化了第一壁材料。
Tiarks的团队希望利用十多年来的研究，专注于开发一种独特的方法来制造用于下一代核裂变的氧化物弥散强化（ODS）钢。ODS钢含有非常小的陶瓷颗粒（纳米颗粒），它们分散在整个钢中。这些颗粒优化了金属的机械性能和承受高辐照的能力。Tiarks表示：“这个项目所做的就是把我们在钢铁上学到的所有经验教训，应用到一种全新的介质上，一种非常适合核聚变的钒基合金中。”
Tiarks团队面临的主要挑战是钒与钢在应用中的具体表现会有何不同。钒的熔点要高得多，而且比钢的反应性更强，所以不能用陶瓷强化。因此，他的团队必须使用一种稍微不同的工艺来制造钒基粉末。Tiarks解释说：“我们使用高压气体将熔融材料分解成微小的液滴，这些液滴迅速冷却，进而形成我们正在研究的粉末。我们不能使用任何种类的陶瓷来输送熔体，所以我们做的被称为自由落体气体雾化。它本质上是气模上的一个大开口，液体流从这里涌入，我们使用超音速气体射流来攻击液体流。”
Tiarks描述的方法目前还存在一些挑战。首先，想较于其他依赖陶瓷的方法，其效率更低。其次，由于钒的熔点高，在浇注过程中很难增加更多的热量，这将有更多的时间使液体分解成液滴。最后，钒趋向于强反应性。粉末是反应性的。如果你把它们雾化，它们就会爆炸！但一定数量的金属可以在外层形成一层薄薄的氧化壳，这有助于‘钝化’它们，避免进一步的反应。
Tiarks解释说：“这有点像m&m巧克力豆。是外面的糖衣保护了剩余的粉末颗粒不被进一步氧化。我们在艾姆斯实验室所做的很多研究实际上是在弄清楚，如何钝化这些粉末，这样你就可以安全地处理它们，它们不会进一步反应，但又要考虑会不会因为添加过多的氧气而降低这些粉末的性能？如果你把它们完全氧化，那么，我们就得到了一个陶瓷粒子，它不再是金属了，所以我们必须非常小心地控制钝化过程。
Tiarks表示：“开发一种钒基材料的粉末加工方法使它们更容易形成复杂的几何裂纹，这是第二层结构正常工作所必需的。而且，钒还不会干扰反应堆堆芯的磁场。
爱荷华州立大学助理教授Sid Pathak团队将会测试第二层结构的材料样本。当艾姆斯实验室小组制造的材料粉末准备好后，它会在太平洋西北国家实验室通过在表面上喷洒粉末和摩擦搅拌处理而形成样板。Pathak说：“一旦你制造出这种板，我们需要测试它的性能，特别是它在聚变反应堆极端辐射条件下的反应，并确保我们得到比目前更好的东西。这是我们的目的，开发的材料要优于目前使用的材料。”
Pathak认为，核反应堆中的材料可能需要10-20年的时间才会出现辐射损伤。在一个为期3年的研究项目中，不可能重现那么长的时间段。他的团队使用了离子辐照来测试材料在极端环境下的反应。
在这个过程中，他的团队使用粒子加速器用密歇根大学离子束实验室提供的离子轰击材料。结果模拟了物质如何受到辐射的影响。离子辐照是一种用离子而不是中子辐射材料的技术。这可以在几个小时内完成。此外，这种材料在离子照射后不会变得有放射性，所以你可以更容易地处理它。
尽管有这些好处，但使用离子辐照有一个缺点。这种损伤只能穿透材料一到两微米深，这意味着它只能用显微镜才能看到。作为参考，人类头发的平均厚度约为70-100微米。因此，在这些非常小的深度测试材料需要在微长度尺度上工作的专用设备，这些设备可以在爱荷华州立大学的Pathak实验室得到使用。
Tiarks表示：“通往商业核聚变发电的道路面临着当今最大的技术挑战，但也有可能获得可以利用太阳能生产丰富、清洁能源的最大回报。能够在解决这个问题中发挥小小的作用，这是令人非常兴奋。我们正处于未知的水域，我们有机会向埃姆斯实验室证明为我们什么在这里，为什么应该继续资助和增加像我们这样的国家实验室，为什么我们要解决一些大多数公司和其他国家实验室不能或不愿意做的事情。我们希望成为解决下一代电网核聚变能源问题的一部分
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