麻省理工打造更耐用的聚变动力反应堆金属材料

2024年8月19日，麻省理工学院(MIT)发布了题为《More durable metals for fusion power reactors》的新闻稿，宣布了一项重大突破：研究人员发现了新方法可以显著延长了聚变反应堆内部结构材料的使用寿命。

核聚变能源，长久以来被寄予厚望，被视为解决能源问题的终极答案。设想中的核聚变发电厂不仅能够提供大规模的无碳能源，以对抗气候变化，而且其燃料——氘，可以从海水中提取，几乎可以说是取之不尽用之不竭。

尽管数十年的研究和巨额资金投入已经带来了技术的重大突破，但核聚变发电厂的实现仍然面临重重困难。麻省理工学院的李巨教授，作为东京电力公司核科学与工程的领军人物，以及材料科学与工程领域的专家，明确指出了两大核心挑战。首要的挑战是实现能量的净增益，即发电厂产出的能量要超过其消耗的能量。全球的研究者们正不懈努力，力求达到这一里程碑。

李教授提出的第二个挑战，虽然听起来直接——“我们怎样将热量提取出来?”——但要深入理解这一问题并找到有效的解决之道，却远没有那么简单。

一、问题：氦气过剩，破坏力强

核聚变反应堆依赖于一种特殊的物质状态——等离子体，这是一种在真空容器内反应的电离气体。在这个过程中，轻原子融合形成更重的原子，释放出能量巨大的快中子。这些中子携带着它们的能量，穿越真空容器，进入冷却剂，逐渐失去动能，同时转化为热能，这种热能最终被用来产生蒸汽，驱动发电涡轮。

然而，要维持这样一个系统，我们必须找到一种能够承受等离子体和冷却剂之间隔离的材料，同时还要允许这些快中子顺利通过以加热冷却剂。尽管理论上，考虑到中子对材料结构的撞击，真空容器应该能够持续使用十年。但实际上，根据不同的材料选择，有预测显示这种容器的使用寿命可能只有短短的6到12个月。这与核裂变反应堆的长期使用形成了鲜明对比。

聚变中子的动能远超过裂变中子，它们在穿透容器壁时，会与材料中的原子核发生相互作用，产生大量的氦原子。这些氦原子寻找能量需求较低的地方聚集，而金属的晶界正是这样的地方。晶界是金属晶粒相遇的地方，这里的原子排列不如晶粒内部整齐，为氦原子提供了一个低嵌入能的聚集地。

氦原子的聚集和排斥作用会逐渐推开晶粒边界，随着时间的积累，这些小的开口可能发展成为裂缝，最终导致真空容器的破裂。这种现象解释了为什么实际的使用寿命远低于基于氦原子数量的预期。

李教授用一个生动的比喻来说明这一点：“巴比伦是一个百万人口的大城市，但100个坏人足以破坏整个城市——如果他们都集中在市政厅工作的话。”这个比喻说明了问题的关键在于如何分散这些“坏人”的集中破坏力。

对于李教授而言，解决这个问题的方法与聚变反应堆中的策略相似。如果大量氦原子同时聚集在晶界，它们可能会破坏金属壁。解决的办法是添加一种具有更低氦嵌入能的材料，以吸引氦原子离开晶界。李教授和他的团队在过去两年中已经展示了这种策略的有效性，通过在金属壁中添加精心挑选的第二种材料的纳米级颗粒，成功地防止了氦原子在金属中结构脆弱的晶界处聚集，从而延长了真空容器的使用寿命。

二、寻找吸收氦的化合物

为了验证他们的想法，来自材料科学与工程系及核科学与工程系的金素妍(Yeon Kim)和徐浩伟(Haowei Xu)联手获取了一个特殊的双相材料样本，其中一相的氦嵌入能远低于另一相。在接近聚变反应堆的工作温度下，他们进行了氦离子注入实验，观察到氦气泡主要在氦嵌入能较低的相中形成。这一现象正如李教授所言，"所有损伤都集中在低嵌入能的相中，这证明了它为另一相提供了保护。"

验证了实验方法的有效性后，研究团队将目光投向了寻找与铁——真空容器壁的主要构成金属——相容的氦吸收化合物。金素妍指出，"计算不同材料的氦嵌入能既复杂又成本高昂。我们需要一个易于计算且可靠的指标。"

他们发现了“原子级自由体积”这一指标，这是指氦原子可能占据的内部空间的最大尺寸。金素妍解释道，"这相当于能够适配到特定晶体结构中的最大球体半径，计算过程十分简单。" 经过对多种陶瓷材料的分析，他们发现原子自由体积与氦嵌入能之间存在很好的相关性，且许多陶瓷材料具有更低的嵌入能。

在核聚变应用的筛选过程中，除了原子自由体积，还需考虑材料的机械强度、抗放射性、与金属的相容性等因素。李教授强调，"我们希望陶瓷相能够均匀分散在金属基体中，保护所有的晶界区域，同时避免陶瓷相聚集或溶解。"

通过分析工具，金素妍和徐浩伟在50,000种化合物中筛选出了750种潜在候选材料。其中，铁硅酸盐因其出色的特性，成为适用于主要由铁构成的真空容器壁的理想材料。这一发现为核聚变反应堆材料的研究开辟了新的道路。

三、实验测试

研究人员已准备好在实验室中检查样本。为了制作用于概念验证 演示的复合材料，Kim 和同事们将纳米级硅酸铁颗粒分散到铁中，并将氦注入该复合材料中。她在注入氦之前和之后拍摄了 X 射线衍射 (XRD) 图像，并计算了 XRD 图案。植入的氦和分散的硅酸铁之间的比例经过严格控制，以便直接比较实验和计算的 XRD 图案。测得的 XRD 强度随氦注入而变化，正如计算所预测的那样。“这种一致性证实了原子氦储存在硅酸铁的晶格块内，”Kim 说。

为了进行后续研究，Kim 直接计算了复合材料中的氦气泡数量。在未添加硅酸铁的铁样品中，晶粒边界两侧有许多氦气泡。相比之下，在添加了硅酸铁陶瓷相的铁样品中，氦气泡遍布整个材料，晶粒边界上的氦气泡要少得多。因此，硅酸铁提供了具有低氦嵌入能量的位置，将氦原子引离晶粒边界，保护了这些脆弱的开口，并防止裂缝张开并导致真空容器灾难性故障。

研究人员得出的结论是，只要在真空容器的铁壁上添加 1%(按体积计)的硅酸铁，就能将氦气泡的数量减少一半，并将其直径缩小 20%——“如果小气泡不在晶界内，那么存在大量小气泡也是正常的”，李解释说。

四、后续步骤

到目前为止，李和他的团队已经从对该问题和可能的解决方案的计算研究，发展到证实其方法的实验演示。他们正在顺利实现组件的商业化制造。“我们已经制造出与现有商用 3D 打印机兼容的粉末，并预装了吸氦陶瓷，”李说。吸氦纳米颗粒分散良好，应能提供足够的氦吸收，以保护容器壁结构金属中脆弱的晶粒边界。虽然李证实还有更多的科学和工程工作要做，但他与核科学与工程系的 Alexander O'Brien 博士(23 届)和同一系的前博士后 Kang Pyo So 一起成立了一家初创公司，准备 3D 打印结构材料，以应对聚变反应堆内真空容器面临的所有挑战。

这项研究得到了多方的支持。主要资助者为Eni SpA，通过麻省理工学院能源计划提供。此外，Kwajeong奖学金、美国能源部(DOE)下属的爱达荷国家实验室的研究与开发计划、劳伦斯利弗莫尔国家实验室，以及韩国国家研究基金会的创新材料发现计划也提供了宝贵的支持。