核聚变:在地球上建造一颗恒星是困难的——我们需要更好的材料

未来发电厂概念

未来的发电厂概念。

核聚变是为太阳和其他恒星提供能量的过程。在核聚变过程中,两个原子的原子核靠得足够近,它们会融合在一起,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,几乎零碳排放,更安全,而且不像裂变那样产生同样水平的核废料。

但是,在地球上建造一个实质上的迷你星,并把它放在一个反应堆里,并不是一件容易的任务。它需要巨大的温度和压力以及极强的磁场。

目前我们还没有足够的材料能够承受这些极端情况。但是像我这样的研究人员正在努力开发它们,我们在这个过程中发现了一些令人兴奋的事情。

托卡马克装置

在地球上有很多方法来遏制核聚变反应,但最常用的是一种被称为托卡马克的甜甜圈形装置。在托卡马克内部,用于反应的燃料——氢的同位素氘和氚——被加热,直到它们变成a等离子体。等离子体是指原子中的电子有足够的能量脱离原子核并开始漂浮。因为它是由带电粒子组成的,不像普通气体,它可以被包含在磁场中。这意味着它不会接触到反应堆的侧面——相反,它以甜甜圈的形状漂浮在中间。

聚变反应堆托卡马克装置

托卡马克聚变反应堆内部。

当氘和氚有足够的能量时,它们会发生聚变,产生氦、中子并释放能量。等离子体的温度必须达到1亿摄氏度要发生大量的核聚变,温度是太阳中心的10倍。它必须更热,因为太阳的粒子密度更高。

尽管它大部分被控制在磁场中,但反应堆仍然需要承受巨大的温度。预计将于2035年建成的世界上最大的核聚变实验——Iter,最热的一部分温度将达到1300℃左右。

虽然等离子体大部分被包含在磁场中,但有时等离子体可能会与反应堆壁发生碰撞。这可能导致腐蚀,燃料被注入到墙壁和改变材料的性能。

除了极端的温度,我们还必须考虑氘和氚聚变反应的副产品,比如极端高能中子。中子不带电荷,所以不能被磁场控制。这意味着它们撞击了反应堆的壁,造成了破坏。

的突破

这些年来,所有这些难以置信的复杂挑战促成了材料领域的巨大进步。其中最引人注目的是高温超导磁体,它们被用于各种不同的核聚变项目。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低的温度相比,这个温度还是很高的。

核聚变反应

氘氚聚变。

在聚变过程中,这些磁铁离托卡马克内部的高温只有几米远,从而产生了一个非常大的温度梯度。这些磁铁有可能产生比传统超导体强得多的磁场,这可以显著减小聚变反应堆的尺寸,并可能加速商业聚变的发展。

我们确实设计了一些材料来应对我们在核聚变反应堆中抛给它们的各种挑战。目前的领先者是减少活化钢与传统钢材相比,这种钢材的成分发生了变化,因此中子损伤引起的活化程度降低了。

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。Fusion也不例外,一个非常小众但值得注意的例子就是钨模糊。绒毛是一种纳米结构,当在聚变实验中暴露于氦等离子体时,在钨上形成。由于担心腐蚀,最初被认为是一个潜在的问题,现在有研究非聚变应用,包括太阳能水分裂-分解成氢和氧。

然而,没有什么材料是完美的,还有几个遗留问题。这包括大规模的还原活化材料的制造和钨的固有脆性,这使得钨的工作具有挑战性。我们需要改进和完善现有的材料。

的挑战

尽管聚变材料领域取得了巨大的进步,但仍有很多工作要做。主要的问题是,我们依赖几个替代实验来重现潜在的反应堆条件,并且必须尝试将这些数据缝合在一起,通常使用的是非常小的样本。详细的建模工作有助于推断材料性能的预测。如果我们能在真实环境中测试我们的材料,那就更好了。

大流行对材料研究产生了重大影响,因为在现实生活中进行实验变得更加困难。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,只专注于生产足够实验用的材料。未来,更多的公司将继续致力于核聚变,也会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思考工业化和供应链发展的阶段。随着我们越来越接近反应堆原型和未来的发电厂,开发强大的大规模供应链将是一个巨大的挑战。

作者是安妮卡·汗,曼彻斯特大学核聚变研究人员。

最初发表在谈话谈话

3评论关于“核聚变:在地球上建造一颗恒星是困难的——我们需要更好的材料”

  1. 不要认为任何一种材料会包含它,它可能通过某种领域,但没有更好的方法来创造能量……

  2. 我的评论怎么了

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