用于核聚变反应堆的更耐用金属

几十年来，核聚变能一直被视为终极能源。核聚变发电厂可以产生无碳能源，其规模足以应对气候变化。而且，其燃料可以由海水中提取的几乎无穷无尽的氘提供。

几十年来，投入数十亿美元的研究经费，取得了许多进展，但挑战依然存在。对于麻省理工学院（MIT）核科学与工程及材料科学与工程教授、东京电力大学教授Ju Li而言，仍然存在两大挑战。第一个挑战是建造一座产生的能量大于投入能量的核聚变发电厂；换句话说，就是产生净能量输出。全球研究人员正在朝着这一目标取得进展。

李提到的第二个挑战听起来很简单：“我们如何将热量导出？”但是，理解问题和找到解决方案都远非显而易见。

麻省理工学院能源计划（MITEI）的研究包括开发和测试先进材料，这些材料可能有助于解决这些挑战以及能源转型中的许多其他挑战。MITEI拥有多个企业成员，它们一直在支持麻省理工学院在开发核聚变能源所需技术方面的努力。

问题：丰富的氦气，一种破坏力

核聚变反应堆的关键是超热的等离子体——一种在真空容器内反应的离子化气体。当等离子体中的轻原子结合形成较重的原子时，它们会释放出具有高动能的快中子，这些中子会穿过周围的真空容器进入冷却液。在这个过程中，这些快中子通过引起辐射损伤和产生热量而逐渐失去能量。转移到冷却液中的热量最终用于产生蒸汽，以驱动发电涡轮机。

问题在于找到一种真空容器材料，这种材料既要足够坚固，以保持反应等离子体和冷却液分离，又要允许快中子通过到冷却液。如果只考虑中子将金属结构中的原子撞出位置所造成的损害，真空容器应该可以使用整整十年。然而，根据真空容器制造中使用的材料，一些预测表明真空容器的寿命只有6到12个月。为什么会这样呢？今天的核裂变反应堆也会产生中子，但这些反应堆的寿命远远超过一年。

区别在于聚变中子比裂变中子具有更高的动能，当它们穿透真空容器壁时，其中一些会与结构材料中原子的原子核相互作用，释放出迅速变成氦原子的粒子。结果是氦原子的数量是裂变反应堆中的数百倍。这些氦原子寻找着落点——一个“嵌入能量”较低的地方，这是一个表明氦原子被吸收需要多少能量的指标。正如李解释的那样，“氦原子喜欢去氦嵌入能量低的地方。”在聚变真空容器中使用的金属中，存在氦嵌入能量相对较低的地方——即自然形成的开口，称为晶界。

金属由单个晶粒组成，其中原子排列有序。晶粒相遇的地方存在原子排列不太好的间隙。这个开放空间具有相对较低的氦嵌入能量，因此氦原子会聚集在那里。更糟糕的是，氦原子与其他原子之间存在排斥相互作用，因此氦原子基本上会推开晶界。随着时间的推移，开口变成连续的裂缝，真空容器破裂。

氦原子的这种聚集解释了为什么仅根据存在的氦原子数量来看，结构的失效时间远早于预期。李用一个类比来说明这一点。“巴比伦是一个有百万人口的城市。但有人说100个坏人就能摧毁整个城市——如果这些坏人都聚集在市政厅。”那么解决方案呢？给这些坏人提供其他更有吸引力的去处，理想情况下是他们自己的村庄。

对李而言，聚变反应堆中的问题和可能的解决方案是相同的。如果许多氦原子同时进入晶界，它们会破坏金属壁。解决方案呢？添加少量氦嵌入能量甚至比晶界还低的材料。在过去的两年里，李和他的团队已经在理论上和实验上证明了他们的分散策略是有效的。通过在金属壁上添加精心挑选的第二种材料的纳米级颗粒，他们发现可以防止从结构上脆弱的金属晶界聚集的氦原子。

寻找氦吸收化合物

为了测试他们的想法，材料科学与工程系的So Yeon Kim ScD '23和核科学与工程系的Haowei Xu PhD '23获得了由两种材料或“相”组成的样本，其中一种材料的氦嵌入能量低于另一种。他们及其合作者随后在类似于聚变反应堆的温度下将氦离子植入样本中，并观察氦气泡的形成。透射电子显微镜图像证实，氦气泡主要在氦嵌入能量较低的相中形成。正如Li所指出的，“所有损伤都在那一相中——这表明它保护了嵌入能量较高的相。”

在验证了他们的方法后，研究人员准备寻找与铁（通常是真空容器壁的主要金属）配合良好的氦吸收化合物。“但是，计算各种不同材料的氦嵌入能量在计算上会很复杂且昂贵，”Kim说。“我们想找出一个易于计算且能可靠指示氦嵌入能量的指标。”

他们找到了这样一个指标：“原子尺度的自由体积”，这基本上是氦原子可能沉积的内部空闲空间的最大尺寸。“这只是能够放入给定晶体结构中的最大球体的半径，”Kim解释道。“这是一个简单的计算。”对一系列可能的氦吸收陶瓷材料的检查证实，原子自由体积与氦嵌入能量密切相关。此外，他们研究的许多陶瓷的自由体积都高于晶界，因此嵌入能量较低。

然而，为了确定核聚变应用的选择，筛选需要包括其他一些因素。例如，除了原子自由体积外，良好的第二相还必须在机械上坚固（能够承受载荷）；它在中子照射下不会变得非常具有放射性；并且它必须与周围的金属相容——但不能过于亲密——以便能够很好地分散但不会溶解到金属中。“我们希望将陶瓷相均匀分散在块状金属中，以确保所有晶界区域都靠近分散的陶瓷相，以便它能够为这些区域提供保护，”Li说。“这两个相需要共存，所以陶瓷既不会聚在一起也不会完全溶解在铁中。”

利用他们的分析工具，Kim和Xu检查了约5万种化合物，并确定了750个潜在候选物。其中，一个很好的选择是将硅酸铁包含在主要由铁制成的真空容器壁中。

实验测试

研究人员准备在实验室中检查样本。为了制作概念验证演示用的复合材料，Kim及其合作者将纳米级的硅酸铁颗粒分散到铁中，并将氦植入该复合材料中。她在植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。仔细控制植入的氦与分散的硅酸铁的比例，以便对实验和计算的XRD图案进行直接比较。随着氦的植入，测得的XRD强度变化与计算预测完全一致。“这种一致性证实了原子氦被储存在硅酸铁的块状晶格中，”Kim说。

随后，Kim直接计算了复合材料中氦气泡的数量。在没有添加硅酸铁的铁样品中，晶界被许多氦气泡包围。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，沿晶界产生的气泡要少得多。因此，硅酸铁提供了氦嵌入能量较低的位点，将氦原子从晶界引诱出来，保护这些脆弱的开口，防止裂缝开裂并导致真空容器灾难性失效。

研究人员得出结论，只需在真空容器的铁壁中加入1%（体积百分比）的硅酸铁，就可以将氦气泡的数量减半，并将其直径减小20%——“如果它们不在晶界中，则存在许多小气泡也没关系，”Li解释道。