2022年底，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员宣布，他们首次观察到核聚变带来了净能量增益。这一迈向聚变能源的巨大里程碑代表了用碳中和能源为我们的家庭和企业提供动力的巨大飞跃。但是，将这一科学成就转化为实用的动力源也需要新技术来实现聚变动力社会。

太平洋西北国家实验室(PNNL)和弗吉尼亚理工学院以及州立大学(弗吉尼亚理工大学)的科学家正在通过他们的材料研究工作帮助实现这一目标。他们最近的工作发表在《科学报告》上，为钨重合金提供了理由，并展示了如何通过模仿贝壳的结构来改进它们以用于先进的核聚变反应堆。

“这是第一次在如此小的长度尺度上观察这些材料界面的研究，”该研究论文的第一作者Jacob Haag说。“通过这样做，我们揭示了控制材料韧性和耐用性的一些基本机制。

耐热

太阳的核心温度约为2700万华氏度，由核聚变提供动力。因此，聚变反应产生大量热量也就不足为奇了。在科学家能够利用聚变能作为动力源之前，他们需要制造先进的核聚变反应堆，能够承受聚变反应带来的高温和辐射条件。

在地球上的所有元素中，钨具有最高的熔点之一。这使其成为用于聚变反应堆的特别有吸引力的材料。但是，它也可能非常脆。将钨与少量其他金属(如镍和铁)混合，会产生一种比单独使用钨更坚韧的合金，同时保持其高熔化温度。

赋予这些钨合金性能的不仅仅是它们的成分，材料的热机械处理会改变拉伸强度和断裂韧性等性能。一种特殊的热轧技术在钨重合金中产生微观结构，模仿贝壳中珍珠层(也称为珍珠母)的结构。众所周知，珍珠层除了具有美丽的彩虹色外，还表现出非凡的力量。PNNL和弗吉尼亚理工大学的研究小组研究了这些珍珠层模拟钨重合金的潜在核聚变应用。

“我们想了解为什么这些材料在金属和合金领域表现出几乎前所未有的机械性能，”Haag说。

检查微观结构的主要韧性

为了仔细观察合金的微观结构，Haag和他的团队使用了先进的材料表征技术，例如扫描透射电子显微镜来观察原子结构。他们还使用能量色散X射线光谱和原子探针断层扫描的组合绘制了材料界面的纳米级组成。

在珍珠层状结构中，钨合金由两个不同的相组成：几乎纯钨的“硬”相和含有镍，铁和钨混合物的“延展性”相。研究结果表明，钨合金的高强度来自于不同相之间的良好结合，包括紧密结合的“硬”和“延展性”相。

“虽然这两个不同的阶段创造了一个艰难的复合材料，但它们在制备高质量样品进行表征方面提出了重大挑战，”PNNL计算科学家兼该论文的共同作者Wahyu Setyawan说。“我们的团队成员在这方面做得非常出色，这使我们能够揭示相间边界的细节结构以及跨越这些边界的化学级变。

该研究展示了晶体结构、几何形状和化学性质如何有助于钨合金中的强材料界面。它还揭示了改善聚变应用材料设计和性能的机制。

“如果要将这些双相合金用于核反应堆的内部，就必须优化它们的安全性和使用寿命，”Haag说。

构建下一代聚变材料

本研究中提出的研究结果已经在PNNL和科学研究界的许多方面得到了进一步的扩展。PNNL正在进行多尺度材料建模研究，以优化结构，化学和测试不同材料界面的强度，以及实验研究，以观察这些材料在聚变反应堆的极端温度和辐照条件下的行为。

“对于聚变能源来说，这是一个激动人心的时刻，白宫和私营部门重新产生了兴趣。我们在寻找长期运行的材料解决方案方面所做的研究对于加速聚变反应堆的实现至关重要，“Setyawan说。

其他PNNL作者是Jing Wang(前PNNL)，Karen Kruska，Matthew Olszta，Charles Henager，Danny Edwards和Mitsu Murayama，他也与弗吉尼亚理工大学联合任命。