阿内卡·汗《对话》 托卡马克聚变反应堆内部
信用:Shutterstock/dani3315 核聚变是为太阳和所有其他恒星提供能量的过程
在聚变过程中，两个原子的原子核靠得足够近，以至于它们融合在一起，释放出巨大的能量
在地球上复制这一过程有可能提供几乎无限的电力，碳排放几乎为零，安全性更高，并且不会产生与裂变同等水平的核废料
但是在地球上建造一颗微型恒星并把它放在一个反应堆里并不是一件容易的事情
它需要巨大的温度和压力以及极强的磁场
现在我们还没有足够的材料来承受这些极端情况
但是像我这样的研究人员正在努力开发它们，我们已经发现了一些令人兴奋的事情
托卡马克 在地球上有许多方法来抑制核聚变反应，但最常见的是使用一种叫做托卡马克的环形装置
在托卡马克内部，反应的燃料——氢的同位素氘和氚——被加热，直到它们变成等离子体
等离子体是指原子中的电子有足够的能量逃离原子核并开始四处漂浮
因为它由带电粒子组成，不像普通气体，它可以包含在磁场中
这意味着它不接触反应堆侧面——相反，它以甜甜圈的形状漂浮在中间
当氘和氚有足够的能量时，它们融合在一起，产生氦、中子并释放能量
等离子体必须达到1亿摄氏度的温度才能发生大量聚变——比太阳中心温度高10倍
它一定要热得多，因为太阳的粒子密度要高得多
虽然它大部分被包含在磁场中，但是反应堆仍然需要承受巨大的温度
在Iter，世界上最大的聚变实验，预计将于2035年建成，机器最热的部分将达到1300℃左右
虽然等离子体主要包含在磁场中，但有时等离子体可能会与反应器壁发生碰撞
这可能导致侵蚀、燃料被注入墙壁以及材料特性的改变
除了极端温度之外，我们还必须考虑氘和氚聚变反应的副产品，如极高能量的中子
中子没有电荷，因此不能被磁场所包含
这意味着它们撞击反应堆的壁，造成损坏
氘氚聚变
信用:Shutterstock/OSweetNature 突破 这些年来，所有这些难以置信的复杂挑战促成了材料的巨大进步
其中最引人注目的是高温超导磁体，它正被各种不同的聚变项目使用
它们在低于液氮沸点的温度下表现为超导体
虽然这听起来很冷，但与其他超导体需要的更冷的温度相比，这还是很高的
在核聚变中，这些磁铁离托卡马克内部的高温只有几米远，产生了巨大的温度梯度
这些磁体有潜力产生比传统超导体更强的磁场，这可以大大减小聚变反应堆的尺寸，并可能加快商业聚变的发展
我们确实有一些材料是为了应对我们在聚变反应堆中向他们扔出的各种挑战而设计的
目前领先的是低活化钢和钨，低活化钢的成分与传统钢不同，因此中子损伤的活化水平降低
科学中最酷的事情之一是最初被视为潜在问题的事情可以转变为积极的事情
聚变也不例外，一个非常小众但值得注意的例子是钨绒毛
Fuzz是一种纳米结构，在聚变实验中暴露在氦等离子体中时会在钨上形成
由于担心侵蚀，最初被认为是一个潜在的问题，现在有对非聚变应用的研究，包括太阳能水分解——将其分解成氢气和氧气
然而，没有什么材料是完美的，还有几个遗留问题
这些包括大规模制造低活化材料和钨的固有脆性，这使得其难以使用
我们需要改进和完善现有的材料
挑战 尽管聚变材料领域取得了巨大的进步，但仍有许多工作需要做
主要问题是我们依靠几个代理实验来重建潜在的反应堆条件，并且必须尝试将这些数据拼接在一起，通常使用非常小的样本
详细的建模工作有助于推断材料性能的预测
如果我们能在真实情况下测试我们的材料，那就更好了
这场流行病对材料研究产生了重大影响，因为开展现实生活中的实验更加困难
我们继续开发和使用先进的模型来预测材料性能是非常重要的
这可以与机器学习的进步相结合，以确定我们需要重点关注的关键实验，并确定未来反应堆工作的最佳材料
新材料的制造通常是小批量的，只专注于生产足够的实验材料
展望未来，更多的公司将继续致力于聚变研究，并将有更多的项目致力于实验反应堆或原型
正因为如此，我们正进入一个需要更多考虑工业化和供应链发展的阶段
随着我们越来越接近原型反应堆，并有望在未来接近发电厂，发展强大的大规模供应链将是一个巨大的挑战
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