美工程师开发新型核聚变堆炉体材料，可以吞吐氢气，保护聚变反应堆壁

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研究人员的冷喷涂钽样品在德国Forschungszentrum Jülich GmbH进行测试期间暴露于氘等离子体中。图片来源：Mykola Ialovega

威斯康星大学麦迪逊分校的工程师使用喷涂技术生产出一种新的主力材料，可以承受聚变反应堆内部的恶劣条件。

“聚变界正在紧急寻找新的制造方法，以经济地在聚变反应堆中生产大型等离子体组件，”威斯康星大学麦迪逊分校核工程和工程物理学博士后研究员、该论文的主要作者Mykola Ialovega说。“与目前的方法相比，我们的技术显示出相当大的改进。通过这项研究，我们率先证明了在熔融应用中使用冷喷涂技术的好处。

研究人员使用冷喷涂工艺在不锈钢上沉积了一层钽，钽是一种可以承受高温的金属。他们在与聚变反应堆相关的极端条件下测试了他们的冷喷涂钽涂层，发现它的性能非常好。重要的是，他们发现这种材料在捕获氢粒子方面非常出色，这对紧凑型聚变装置是有益的。

“我们发现，由于涂层的独特微观结构，冷喷涂钽涂层比块状钽吸收更多的氢气，”核工程和工程物理以及材料科学与工程教授Kumar Sridharan说。在过去的十年中，Sridharan的研究小组通过将冷喷涂技术应用于与裂变反应堆相关的多种应用，将其引入核能界。

“冷喷涂工艺的简单性使其在应用中非常实用，”Sridharan 说。

在聚变装置中，等离子体（一种电离氢气）被加热到极高的温度，等离子体中的原子核碰撞并融合。这种聚变过程会产生能量。然而，一些氢离子可能会被中和并从等离子体中逸出。

从左到右：工程师 Jeremiah Kirch、博士后研究员 Mykola Ialovega 和助理科学家 Marcos Xavier Navarro-Gonzalez，他们致力于将钽涂层作为 WHAM 设备的等离子体材料，如图所示。图片来源：Mykola Ialovega

“这些氢中性粒子在等离子体中造成功率损失，这使得维持热等离子体并拥有有效的小型聚变反应堆变得非常具有挑战性，”在核工程和工程物理学教授奥利弗·施密茨（Oliver Schmitz）的研究小组工作的Ialovega说。

这就是为什么研究人员着手为面向等离子体的反应堆壁创造一种新的表面，当氢粒子与壁碰撞时，它可以捕获氢粒子。

钽天生擅长吸收氢气，研究人员怀疑，使用冷喷涂工艺制造钽涂层会进一步提高其吸氢能力。

创建冷喷涂涂层有点像使用一罐喷漆。它包括以超音速将涂层材料的颗粒推进到表面上。撞击时，颗粒像煎饼一样变平并覆盖整个表面，同时保持涂层颗粒之间的纳米级边界。研究人员发现，这些微小的边界有助于捕获氢粒子。

Ialovega在法国艾克斯马赛大学和德国Forschungszentrum Jülich GmbH的工厂对涂层材料进行了实验。在这些实验中，他发现当他将材料加热到更高的温度时，它会在不改变涂层的情况下排出被捕获的氢粒子——这个过程本质上是使材料再生，以便可以再次使用。

“冷喷涂方法的另一大好处是，它允许我们通过涂覆新涂层在现场修复反应器部件，”Ialovega说。“目前，损坏的反应堆部件通常需要拆除并更换为全新的部件，这既昂贵又耗时。”

研究人员计划在威斯康星州HTS轴对称镜（WHAM）中使用他们的新材料。该实验装置正在威斯康星州麦迪逊附近建造，并将作为威斯康星大学麦迪逊分校衍生公司Realta Fusion旨在开发的未来下一代聚变发电厂的原型。WHAM实验位于物理科学实验室，是威斯康星大学麦迪逊分校，麻省理工学院和英联邦聚变系统公司之间的合作项目。

Schmitz说：“创造一种难熔金属复合材料，具有控制良好的氢处理、抗侵蚀性和一般材料弹性等特点，是等离子体装置和聚变能源系统设计的突破。“改变合金并包括其他难熔金属以增强核应用复合材料的前景特别令人兴奋。

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原标题：《美工程师开发新型核聚变堆炉体材料，可以吞吐氢气，保护聚变反应堆壁》

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