新开发的材料吞下氢气并将其吐出保护聚变反应堆壁

威斯康星大学麦迪逊分校的工程师使用喷涂技术生产了一种新的主​​力材料，可以承受聚变反应堆内的恶劣条件。这一进展，详细介绍在最近发表在期刊上的一篇论文PhysicaScripta，可以实现更高效、更易于维修和维护的紧凑型聚变反应堆。

“聚变界正在迫切寻找新的制造方法，以在聚变反应堆中经济地生产大型面向等离子体的部件，”威斯康辛大学麦迪逊分校核工程和工程物理领域的博士后研究员、该论文的主要作者MykolaIallovega说道。“我们的技术比当前的方法有了相当大的改进。通过这项研究，我们首次证明了将冷喷涂技术用于聚变应用的好处。”

研究人员采用冷喷涂工艺在不锈钢上沉积钽涂层，钽是一种可以承受高温的金属。他们在与聚变反应堆相关的极端条件下测试了冷喷涂钽涂层，发现其性能非常好。重要的是，他们发现该材料非常擅长捕获氢粒子，这对于紧凑型聚变装置是有益的。

“我们发现，由于涂层独特的微观结构，冷喷涂钽涂层比块体钽吸收更多的氢，”核工程和工程物理学以及材料科学和工程学教授KumarSridharan说道。在过去的十年中，Sridharan的研究小组将冷喷涂技术引入了核能界，并将其应用于与裂变反应堆相关的多种应用。

“冷喷涂工艺的简单性使其非常实用，”他说。斯里达兰说。

在聚变装置中，等离子体(一种电离的氢气)被加热到极高的温度，等离子体中的原子核会发生碰撞并融合。该聚变过程产生能量。然而，一些氢离子可能会被中和并从等离子体中逸出。

“这些氢中性粒子会导致等离子体中的功率损失，这使得维持热等离子体和拥有有效的小型聚变反应堆变得非常具有挑战性，”在核工程和工程物理学教授奥利弗·施密茨(OliverSchmitz)的研究小组工作的亚洛维加(Ialovega)说道。

这就是为什么研究人员着手为面向等离子体的反应器壁创建一个新的表面，该表面可以在氢粒子与反应器壁碰撞时捕获它们。

钽本质上擅长吸收氢，研究人员怀疑使用冷喷涂工艺制造钽涂层将进一步提高其捕获氢的能力。

创建冷喷涂涂层有点像使用一罐喷漆。它由以超音速将涂层材料颗粒推进到表面上组成。撞击后，颗粒像煎饼一样变平并覆盖整个表面，同时保留涂层颗粒之间的纳米级边界。研究人员发现，这些微小的边界有利于捕获氢粒子。

Ialovega在法国艾克斯·马赛大学和德国于利希研究中心有限公司的设施中对涂层材料进行了实验。在这些实验中，他发现当他将材料加热到更高的温度时，它会在不改变涂层的情况下排出捕获的氢粒子——这一过程本质上使材料再生，以便可以再次使用。

“冷喷射方法的另一大好处是，它使我们能够通过应用新的方法在现场修复反应堆组件”a>组件通常需要拆除并更换为全新的部件，这既昂贵又耗时。”反应堆，”亚洛维加说。“目前，损坏的涂层

研究人员计划在威斯康星州高温超导轴对称镜(WHAM)中使用他们的新材料。该实验装置正在威斯康星州麦迪逊市附近建造，并将作为威斯康辛大学麦迪逊分校分拆公司RealtaFusion旨在开发的未来下一代聚变发电厂的原型。WHAM实验位于物理科学实验室，是威斯康辛大学麦迪逊分校、麻省理工学院和CommonwealthFusionSystems之间的合作项目。

“创造一种难熔金属复合材料，具有良好控制的氢处理特性，并具有耐腐蚀性和一般材料弹性，是等离子体设备和聚变设计的一项突破聚变能源系统，”施密茨说。“改变合金并加入其他难熔金属以增强核应用复合材料的前景尤其令人兴奋。”