美國核聚變關鍵材料突破？或帶來長壽命、更安全的“人造太陽”！

核聚變發電目前主要面臨兩個挑戰，一是如何實現輸出能量大於輸入能量，二是如何有效地輸出並利用這些能量。

第一個挑戰在美國國家點火裝置的慣性約束實驗中已有初步突破，而磁約束的託卡馬克裝置則還在持續的研究中。

第二個挑戰則是找到一種關鍵材料，讓巨大的能量可以安全地傳導，而不會對材料本身造成嚴重損傷。

麻省理工學院材料科學與工程教授李巨領導的團隊，已經開發出了一種突破性的陶瓷材料，可用於製造核聚變反應堆核心的真空容器壁，從而延長其使用壽命。

這項研究的部分成果已發表在今年3月的《材料學報》上，麻省理工學院新聞辦公室在8月19日對此進行了詳細報道。

核聚變反應堆發電的基本原理，是利用聚變產生的高動能快中子加熱真空容器壁後的冷卻劑，產生蒸汽驅動渦輪機發電。

與核裂變反應不同，核聚變產生的中子能量更高，因而對材料的破壞性更大。

雖然核裂變反應堆的材料可以使用很多年，但核聚變反應堆的真空容器壁卻可能在6到12個月內失效，這是因爲高能中子與容器壁中的原子核相互作用，生成的氦原子會在金屬中“嵌入能”較低的地方，——晶粒邊界中聚集，相互排斥推開其他原子，最終導致裂縫的形成和容器壁的破裂。

這對反應堆來說肯定是致命的，因爲容器壁位於反應堆的最內部，不可能幾個月就大拆一次進行更換吧？

那麼要怎樣才能讓真空容器經受快中子的轟擊，長壽耐用呢？研究團隊創造性地在容器壁裏摻入了一種嵌入能更低的材料，讓氦原子優先聚集在裏面，從而保護了金屬的晶粒邊界，延緩了容器壁的損傷。

這就像100萬人的大城市裏有100個壞蛋，他們都在市政廳工作，很快就會毀掉整座城市，但如果把他們分散到其他地方，比如在村裏修一些娛樂設施，讓他們去那兒玩，他們的破壞性就會小多了。

這種“娛樂設施”需要有原子可以沉降的較大“原子自由體積”，嵌入能量也需要比晶粒邊界低，還要有能承受負載的良好機械強度，被中子轟擊後不能有很強的放射性，以及與周圍的金屬既能相容又不能太緊密的屬性，這樣才能均勻地分佈在金屬中。

研究團隊經過對5萬種化合物的分析，最終確定用硅酸鐵陶瓷納米顆粒來建造這些“遊樂設施”，並對樣本進行了X 射線衍射 (XRD)檢測。

結果表明，只要在金屬中加入1%體積的這種陶瓷材料，就可以將氦氣聚集的問題減少一半，並把氦氣泡的直徑縮小20%，大大降低了它們對金屬的破壞力。

目前李巨團隊已製造出了可用於商用3D打印的吸氦陶瓷納米顆粒，並且成立了一家初創公司，致力於將這一突破性材料應用於未來的核聚變反應堆中。

這項研究由麻省理工能源計劃（MITEI）及美國能源部多個國家實驗室、韓國國家研究基金會等多家機構資助，標誌着核聚變能源技術的一個重要進展，有望在未來實現更長壽命、更安全的“人造太陽”——核聚變反應堆的設計。

參考：

Demonstration of Helide formation for fusion structural materials as natural lattice sinks for helium,Acta Materialia,Volume 266,2024,119654,ISSN 1359-6454, doi:10.1016/j.actamat.2024.119654.