美科学家正在研究支持核聚变能的金属合金

美国太平洋西北国家实验室 (PNNL)、弗吉尼亚理工学院和州立大学(弗吉尼亚理工大学)的科学家们正在研究钨重合金作为用于先进核聚变反应堆的可能材料。在聚变能被用作能源之前，有必要开发能够承受聚变反应产生的高温和辐照条件的先进核聚变反应堆。

钨是所有元素中熔点最高的元素之一，但它也可能非常脆。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。此外，这些钨重合金的热机械处理可以改变抗拉强度和断裂韧性等性能。

研究人员发现，一种特殊的热轧技术在钨重合金中产生了微观结构，模仿了贝壳中珍珠母的结构，这种结构非常坚固。PNNL 和弗吉尼亚理工大学的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。

最近发表在《科学报告》上的该研究论文的第一作者 Jacob Haag 说：“这是第一项在如此小的尺度上观察这些材料表面的研究，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。” 他补充说：“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。”

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。

他们发现，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 Wahyu Setyawan 说：“虽然这两个不同的相形成了坚硬的复合材料，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级配。”

Haag 说：“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。” 这些发现已经在 PNNL 和科学研究界得到进一步扩展。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表面的强度，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。

“这是一个激动人心的聚变能源时代，白宫和私营部门重新对它产生了兴趣。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。