研究确定了用于聚变反应堆的有前景的材料

Josiah02 · 发表于 2024-11-6 21:47:41

核聚变可能是解决人类能源问题的理想方案，它能保证几乎无限的能源，且不会排放温室气体。但要实现这一目标，仍需克服巨大的技术挑战，其中一些挑战与材料有关。
聚变反应堆需要能够在与等离子体的界面上使用的材料，这些材料在极端条件下是必需的。正在法国南部建造的欧洲实验反应堆 ITER 的设计包括一个称为偏滤器的组件，它可以提取聚变反应产生的热量和灰烬，并将热量和粒子从等离子体引导到特定表面进行冷却。在偏滤器上，面向等离子体的材料不仅能承受极高的温度，而且还会不断受到中子、电子、带电离子和高能辐射的轰击。
在 ITER 项目的设计中，偏滤器由钨制成，钨是一种以耐热性著称的金属。但过去曾考虑过碳纤维或陶瓷材料等替代品，目前还不确定钨是否真的是未来反应堆的最佳选择。
理论和计算方法能否帮助寻找最佳偏滤器材料，从而有助于实现聚变？EPFL 的 Nicola Marzari 的 MARVEL 实验室的科学家决定回答这个问题，并在PRX Energy的一篇新文章中提出了一种大规模筛选潜在等离子体材料的方法，并列出了最有希望的材料清单。
首先，科学家必须找到一种方法来使计算变得可处理。
THEOS 实验室博士生、论文第一作者 Andrea Fedrigucci 表示：“要真实地模拟等离子体-材料界面的动态，需要在几毫秒内模拟数千个原子的行为，而这在普通的计算能力下是无法实现的。因此，我们决定选择面向等离子体的材料需要具备的几个关键特性，并将它们作为该材料在偏滤器上性能的指标。”
首先，科学家们查看了 Pauling 文件数据库，这是一大批已知的无机晶体结构，并创建了一个工作流程来寻找那些具有足够抵抗力以承受反应堆温度的晶体。这可以通过查看它们的热容量、热导率、熔化温度和密度来了解。
由于材料层的表面温度取决于其厚度，因此该团队还计算了每种材料在熔化前的最大厚度，并据此对材料进行排序。对于无法计算最大厚度信息的材料，他们使用帕累托优化方法根据前面提到的特性对其进行排序。
最终，第一批候选人名单为 71 名。在这一阶段，必须使用一种非常非计算性的老式方法。
“我耐心地查阅了关于每一种材料的文献，以检查它们是否已经过测试并被丢弃，或者是否存在数据库中没有记录的特性导致它们无法在聚变反应堆中使用，比如在等离子体和中子轰击下容易被侵蚀或热性能下降，”费德里古奇解释道。
有趣的是，这部分研究导致一些最近被提议用于聚变反应堆的创新材料（如高熵合金）不再作为偏滤器材料。
最后剩下 21 种材料，我们应用 DFT 工作流程来计算优质等离子聚变材料应具备的两个关键特性：表面结合能（衡量从表面提取原子的难易程度）和氢间隙的形成能（衡量晶体结构中氚溶解度的指标）。
“如果偏滤器材料在其使用寿命期间被过度腐蚀，释放的原子就会分散到等离子体中，导致其温度降低，”Fedrigucci 说道。“此外，如果该材料与氚具有化学反应性，它就会减少可用于聚变的氚，并导致氚库存的积累超过此类技术的安全限值。”
最后，基于所有关键特性的最终排名包括一些经过广泛测试的常见材料：钨本身（金属钨）和碳化物（WC 和 W 2 C）、金刚石和石墨、氮化硼以及过渡金属，如钼、钽和铼。但也有一些意外发现，例如氮化钽的特殊相或其他基于硼和氮的陶瓷，这些材料从未在这种应用上进行过测试。
费德里古奇表示，未来该团队希望利用神经网络更好地模拟反应堆中材料的真实情况，包括无法模拟的与中子的相互作用。

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