2022年底，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员宣布，他们首次观察到核聚变带来的净能量增益。这一迈向聚变能源的里程碑代表了在使用碳中性能源为我们的家庭和企业供电方面的巨大飞跃。但是，将这一科学成就转化为实用能源还需要新技术，才能使聚变动力社会成为现实。

研究人员报告了可以支持核聚变能的金属合金

太平洋西北国家实验室(PNNL)和弗吉尼亚理工学院及州立大学(弗吉尼亚理工大学)的科学家正在通过他们的材料研究工作帮助实现这一目标。他们最近发表在《科学报告》上的工作为钨重合金提供了理由，并展示了如何通过模仿贝壳的结构来改进它们以用于先进的核聚变反应堆。

“这是第一项以如此小的长度尺度观察这些材料界面的研究，”该研究论文的第一作者JacobHaag说。“通过这样做，我们揭示了一些控制材料韧性和耐用性的基本机制。”

耐高温

太阳的核心温度约为2700万华氏度，其动力来自核聚变。因此，聚变反应产生大量热量也就不足为奇了。在科学家能够利用聚变能作为能源之前，他们需要创建先进的核聚变反应堆，以承受聚变反应带来的高温和辐照条件。

在地球上的所有元素中，钨是熔点最高的元素之一。这使它成为一种特别有吸引力的用于聚变反应堆的材料。然而，它也可能非常脆弱。将钨与少量其他金属(如镍和铁)混合，可以产生一种比单独使用钨更坚韧的合金，同时保持其高熔化温度。

赋予这些钨重合金性能的不仅仅是它们的成分——材料的热机械处理可以改变抗拉强度和断裂韧性等性能。一种特殊的热轧技术可在钨重合金中产生微观结构，模仿贝壳中珍珠质(也称为珍珠母)的结构。众所周知，除了美丽的彩虹色外，珍珠层还具有非凡的强度。PNNL和弗吉尼亚理工大学的研究团队研究了这些仿珍珠层的钨合金，用于潜在的核聚变应用。

“我们想了解为什么这些材料在金属和合金领域表现出近乎前所未有的机械性能，”Haag说。

检查显微组织的主要韧性

为了更仔细地观察合金的微观结构，Haag和他的团队使用了先进的材料表征技术，例如扫描透射电子显微镜来观察原子结构。他们还结合使用能量色散X射线光谱和原子探针断层扫描绘制了材料界面的纳米级组成。

在珍珠质结构中，钨重合金由两个不同的相组成：几乎纯钨的“硬”相和包含镍、铁和钨混合物的“韧性”相。研究结果表明，钨合金的高强度来自不同相之间的出色结合，包括紧密结合的“硬”相和“韧性”相。

PNNL计算科学家兼该论文的合著者WahyuSetyawan说：“虽然这两个不同的阶段形成了坚韧的复合材料，但它们在制备用于表征的高质量标本方面构成了重大挑战。”“我们的团队成员在这方面做得非常出色，这使我们能够揭示相间边界的详细结构以及跨越这些边界的化学渐变。”

该研究展示了晶体结构、几何形状和化学性质如何影响钨重合金中的强材料界面。它还揭示了改进聚变应用的材料设计和性能的机制。

“如果要将这些双相合金用于核反应堆内部，则有必要对其进行优化以提高安全性和使用寿命，”Haag说。

构建下一代聚变材料

本研究中提出的发现已经在PNNL和科学研究界的许多方面得到进一步扩展。PNNL正在进行多尺度材料建模研究，以优化结构、化学和测试不同材料界面的强度，并进行实验研究以观察这些材料在聚变反应堆的极端温度和辐照条件下的行为。

“白宫和私营部门对聚变能源产生了新的兴趣，这是一个激动人心的时刻。我们在寻找长期运行的材料解决方案方面所做的研究对于加速聚变反应堆的实现至关重要。”Setyawan说。

PNNL的其他作者包括JingWang(前PNNL)、KarenKruska、MatthewOlszta、CharlesHenager、DannyEdwards和MitsuMurayama，他们还与弗吉尼亚理工大学联合任职。