核聚變是為太陽和所有其他恒星提供動力的過程。在核聚變過程中，兩個原子核的距離足夠近，它們?nèi)诤显谝黄穑尫懦鼍薮蟮哪芰?。在地球上?fù)制這一過程，有可能提供幾乎無限的電力，而且碳排放幾乎為零，更加安全，也沒有裂變過程中的核廢料。但是，在地球上建造一顆迷你星，并在反應(yīng)堆內(nèi)將其固定在一起并非易事。它需要巨大的溫度和壓力以及極強的磁場。

　　現(xiàn)在我們還沒有能夠承受這些極端情況的材料。但像研究人員正在努力開發(fā)它們，而且在這一過程中發(fā)現(xiàn)了一些令人興奮的東西。

　　在地球上有許多方法來控制核聚變反應(yīng)，但最常見的是使用一種叫做 "托卡馬克"的甜甜圈形裝置。在 "托卡馬克"內(nèi)，反應(yīng)的燃料被稱為氘和氚的氫的同位素，他們被加熱到極高的溫度直到它們變成等離子體。等離子體是指原子中的電子有足夠的能量逃離原子核，并開始四處漂浮。因為它是由帶電粒子組成的，與普通氣體不同，它可以被包含在磁場中。這意味著它不會接觸反應(yīng)堆的兩側(cè)，而是以甜甜圈的形狀漂浮在中間。

　　當(dāng)氘和氚擁有足夠的能量時，它們就會融合在一起，產(chǎn)生氦氣、中子并釋放能量。等離子體必須達到1億攝氏度的溫度，才能發(fā)生大量的聚變，比太陽中心的溫度高10倍。它必須要熱得多，因為太陽的粒子密度要高得多。

　　雖然等離子反應(yīng)被包含在一個磁場內(nèi)，但反應(yīng)堆本身仍然必須承受巨大的溫度。預(yù)計將于2035年建成的世界上最大的核聚變實驗：ITER，機器最熱的部分將達到1300℃左右。即便如此，有時等離子體可能會與反應(yīng)堆的墻壁發(fā)生碰撞。這可能會導(dǎo)致侵蝕、燃料被植入堆壁以及材料特性的改變。

　　在極端的溫度之上，我們還必須考慮到氘和氚的聚變反應(yīng)的副產(chǎn)品，如極高能量的中子。中子沒有電荷，所以不能被磁場控制。這意味著它們會撞擊反應(yīng)堆的墻壁，造成破壞。所有這些令人難以置信的復(fù)雜挑戰(zhàn)都促進了多年來材料的巨大進步。其中最引人注目的是高溫超導(dǎo)磁體，它被各種不同的核聚變項目所使用。這些在低于液氮沸點的溫度下表現(xiàn)為超導(dǎo)體。雖然這聽起來很冷，但與其他超導(dǎo)體所需的更冷的溫度相比，它是很高的。

　　在核聚變中，這些磁體距離托卡馬克內(nèi)部的高溫僅有數(shù)米之遙，形成了巨大的溫度梯度。這些磁體有可能產(chǎn)生比傳統(tǒng)超導(dǎo)體強得多的磁場，這可以大大縮小核聚變反應(yīng)堆的體積，并可能加速商業(yè)核聚變的發(fā)展。

　　目前發(fā)現(xiàn)的一些新材料是為了應(yīng)對我們在核聚變反應(yīng)堆中拋出的各種粒子帶來的挑戰(zhàn)而設(shè)計的。目前最領(lǐng)先的是低活化鋼，它的成分與傳統(tǒng)鋼不同，因此中子損傷導(dǎo)致的活化程度降低，除此之外還有被運用得非常普遍的鎢金屬。

　　科學(xué)界最酷的事情之一是，最初被視為潛在問題的東西可以變成積極的東西。核聚變也不例外，一個非常小眾但值得注意的例子是鎢絨毛。鎢絨毛是在核聚變實驗中暴露在氦等離子體中時在鎢上形成的一種納米結(jié)構(gòu)。最初由于擔(dān)心侵蝕而被認為是一個潛在的問題，現(xiàn)在已經(jīng)開始研究非核聚變應(yīng)用，包括太陽能水分裂--將其分解為氫氣和氧氣。

　　然而，沒有任何材料是完美的，還有幾個問題。這些問題包括大規(guī)模制造還原活化材料，以及鎢的內(nèi)在脆性，這使它的工作面臨挑戰(zhàn)。我們需要在現(xiàn)有的材料上進行改進和完善。

　　盡管核聚變材料領(lǐng)域取得了巨大的進步，但仍有很多工作要做。主要的問題是我們依靠幾個代理實驗來重現(xiàn)潛在的反應(yīng)堆條件，并且必須嘗試將這些數(shù)據(jù)拼接在一起，往往使用非常小的樣品。詳細的建模工作有助于推斷材料性能的預(yù)測。如果我們能夠在真實情況下測試我們的材料，那就更好了。

　　COVID-19大流行對材料學(xué)研究產(chǎn)生了重大影響，因為進行真實的生活實驗更加困難。但繼續(xù)開發(fā)和使用先進的模型來預(yù)測材料性能真的很重要。這可以與機器學(xué)習(xí)的進步相結(jié)合，確定我們需要關(guān)注的關(guān)鍵實驗，并確定未來反應(yīng)堆中的最佳材料。新材料的制造通常是小批量的，只專注于生產(chǎn)足夠的實驗材料。未來，將有更多的公司繼續(xù)致力于核聚變領(lǐng)域研究，也會有更多的項目致力于實驗反應(yīng)堆或原型。

　　正因為如此，我們正到了需要更多地考慮產(chǎn)業(yè)化和發(fā)展供應(yīng)鏈的階段。隨著我們越來越接近原型反應(yīng)堆，并希望未來能有發(fā)電廠，發(fā)展強大的大規(guī)模供應(yīng)鏈將是一個巨大的挑戰(zhàn)。

　　作者為曼徹斯特大學(xué)核聚變研究員Aneeqa Khan。

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