在地球上建造一顆恒星很難 研究人員正尋找更好的材料

　　核聚變是為太陽和所有其他恒星提供動(dòng)力的過程。在核聚變過程中，兩個(gè)原子核的距離足夠近，它們?nèi)诤显谝黄穑尫懦鼍薮蟮哪芰俊Ｔ诘厍蛏蠌?fù)制這一過程，有可能提供幾乎無限的電力，而且碳排放幾乎為零，更加安全，也沒有裂變過程中的核廢料。但是，在地球上建造一顆迷你星，并在反應(yīng)堆內(nèi)將其固定在一起并非易事。它需要巨大的溫度和壓力以及極強(qiáng)的磁場。

　　現(xiàn)在我們還沒有能夠承受這些極端情況的材料。但像研究人員正在努力開發(fā)它們，而且在這一過程中發(fā)現(xiàn)了一些令人興奮的東西。

　　在地球上有許多方法來控制核聚變反應(yīng)，但最常見的是使用一種叫做 "托卡馬克"的甜甜圈形裝置。在 "托卡馬克"內(nèi)，反應(yīng)的燃料被稱為氘和氚的氫的同位素，他們被加熱到極高的溫度直到它們變成等離子體。等離子體是指原子中的電子有足夠的能量逃離原子核，并開始四處漂浮。因?yàn)樗怯蓭щ娏Ｗ咏M成的，與普通氣體不同，它可以被包含在磁場中。這意味著它不會(huì)接觸反應(yīng)堆的兩側(cè)，而是以甜甜圈的形狀漂浮在中間。

　　當(dāng)氘和氚擁有足夠的能量時(shí)，它們就會(huì)融合在一起，產(chǎn)生氦氣、中子并釋放能量。等離子體必須達(dá)到1億攝氏度的溫度，才能發(fā)生大量的聚變，比太陽中心的溫度高10倍。它必須要熱得多，因?yàn)樘柕牧Ｗ用芏纫叩枚唷?/p>

　　雖然等離子反應(yīng)被包含在一個(gè)磁場內(nèi)，但反應(yīng)堆本身仍然必須承受巨大的溫度。預(yù)計(jì)將于2035年建成的世界上最大的核聚變實(shí)驗(yàn)：ITER，機(jī)器最熱的部分將達(dá)到1300℃左右。即便如此，有時(shí)等離子體可能會(huì)與反應(yīng)堆的墻壁發(fā)生碰撞。這可能會(huì)導(dǎo)致侵蝕、燃料被植入堆壁以及材料特性的改變。

　　在極端的溫度之上，我們還必須考慮到氘和氚的聚變反應(yīng)的副產(chǎn)品，如極高能量的中子。中子沒有電荷，所以不能被磁場控制。這意味著它們會(huì)撞擊反應(yīng)堆的墻壁，造成破壞。所有這些令人難以置信的復(fù)雜挑戰(zhàn)都促進(jìn)了多年來材料的巨大進(jìn)步。其中最引人注目的是高溫超導(dǎo)磁體，它被各種不同的核聚變項(xiàng)目所使用。這些在低于液氮沸點(diǎn)的溫度下表現(xiàn)為超導(dǎo)體。雖然這聽起來很冷，但與其他超導(dǎo)體所需的更冷的溫度相比，它是很高的。

　　在核聚變中，這些磁體距離托卡馬克內(nèi)部的高溫僅有數(shù)米之遙，形成了巨大的溫度梯度。這些磁體有可能產(chǎn)生比傳統(tǒng)超導(dǎo)體強(qiáng)得多的磁場，這可以大大縮小核聚變反應(yīng)堆的體積，并可能加速商業(yè)核聚變的發(fā)展。

　　目前發(fā)現(xiàn)的一些新材料是為了應(yīng)對我們在核聚變反應(yīng)堆中拋出的各種粒子帶來的挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)的。目前最領(lǐng)先的是低活化鋼，它的成分與傳統(tǒng)鋼不同，因此中子損傷導(dǎo)致的活化程度降低，除此之外還有被運(yùn)用得非常普遍的鎢金屬。

　　科學(xué)界最酷的事情之一是，最初被視為潛在問題的東西可以變成積極的東西。核聚變也不例外，一個(gè)非常小眾但值得注意的例子是鎢絨毛。鎢絨毛是在核聚變實(shí)驗(yàn)中暴露在氦等離子體中時(shí)在鎢上形成的一種納米結(jié)構(gòu)。最初由于擔(dān)心侵蝕而被認(rèn)為是一個(gè)潛在的問題，現(xiàn)在已經(jīng)開始研究非核聚變應(yīng)用，包括太陽能水分裂--將其分解為氫氣和氧氣。

　　然而，沒有任何材料是完美的，還有幾個(gè)問題。這些問題包括大規(guī)模制造還原活化材料，以及鎢的內(nèi)在脆性，這使它的工作面臨挑戰(zhàn)。我們需要在現(xiàn)有的材料上進(jìn)行改進(jìn)和完善。

　　盡管核聚變材料領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)步，但仍有很多工作要做。主要的問題是我們依靠幾個(gè)代理實(shí)驗(yàn)來重現(xiàn)潛在的反應(yīng)堆條件，并且必須嘗試將這些數(shù)據(jù)拼接在一起，往往使用非常小的樣品。詳細(xì)的建模工作有助于推斷材料性能的預(yù)測。如果我們能夠在真實(shí)情況下測試我們的材料，那就更好了。

　　COVID-19大流行對材料學(xué)研究產(chǎn)生了重大影響，因?yàn)檫M(jìn)行真實(shí)的生活實(shí)驗(yàn)更加困難。但繼續(xù)開發(fā)和使用先進(jìn)的模型來預(yù)測材料性能真的很重要。這可以與機(jī)器學(xué)習(xí)的進(jìn)步相結(jié)合，確定我們需要關(guān)注的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)，并確定未來反應(yīng)堆中的最佳材料。新材料的制造通常是小批量的，只專注于生產(chǎn)足夠的實(shí)驗(yàn)材料。未來，將有更多的公司繼續(xù)致力于核聚變領(lǐng)域研究，也會(huì)有更多的項(xiàng)目致力于實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆或原型。

　　正因?yàn)槿绱耍覀冋搅诵枰嗟乜紤]產(chǎn)業(yè)化和發(fā)展供應(yīng)鏈的階段。隨著我們越來越接近原型反應(yīng)堆，并希望未來能有發(fā)電廠，發(fā)展強(qiáng)大的大規(guī)模供應(yīng)鏈將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

　　作者為曼徹斯特大學(xué)核聚變研究員Aneeqa Khan。