团队开发合金以提高聚变能

一种新开发的钨基合金在类似于聚变反应堆原型的极端环境中表现良好，可能有助于利用聚变能。

洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家OsmanElAtwani说：“这种新合金在用于代表聚变反应堆环境的高温和极端辐射环境下显示出良好的耐辐射性和稳定性。”

“这种合金的开发，以及它所代表的建模和实验之间的一致性，为开发更多有用的合金指明了方向，这是使聚变发电更稳健、更具成本效益、经济上可预测和对投资者更具吸引力的重要一步”

随着聚变能概念越来越接近现实世界，解决材料挑战势在必行。令人鼓舞的结果表明，如ElAtwani及其合作者所描述的设计范式和高熵合金可能已准备好在利用聚变的前景中发挥作用。

ElAtwani是该项目的首席研究员，该项目涉及多个国家和国际机构。他们的结果于5月发表在NatureCommunications上。

融合材料的挑战

通过聚变生产清洁能源需要能够承受恶劣条件的材料——高温、辐射(暴露于高能中子辐射和氦粒子通量)和压力——与比太阳燃烧得更热的聚变反应相关。

ElAtwani和他的合作者开发了一种纳米晶高熵合金——一种由五种或更多元素组成的合金，具有纳米级(原子)水平的结晶形式。钨是一种经过长期研究的面向等离子体部件的首选元素，是合金中的主要元素。

不幸的是，目前的钨材料作为面向等离子体的组件的可行性受到限制，因为该材料在熔化条件下会降解和变形。为了开发更适合聚变的材料，研究团队使用了热物理性质的计算、先进的计算方法以及在洛斯阿拉莫斯、英国原子能管理局、克莱姆森大学和华沙大学等多个机构进行的模拟。

最终，根据建模和仿真预测的性能，选择铪元素作为合金混合物。

制造和实验

在洛斯阿拉莫斯综合纳米技术中心制造合金薄膜后，一种版本的材料在阿贡国家实验室接受了辐照。另一个版本是在洛斯阿拉莫斯的离子束材料实验室进行辐照的。包括原位透射电子显微镜在内的先进技术表明，该合金在这些复制聚变核能原型的严酷实验条件下表现良好。

“在类似条件和设置下测试的所有合金中，这种材料系统的选定成分表现出最好的耐辐照性，”克莱姆森大学材料科学家恩里克马丁内斯说。“这些结果与我们的模型一致，这大大减少了评估材料性能所需的实验集。”

这种合金也可以以非晶形式合成，这是一种材料中的原子不会像晶体结构那样长距离排列的结构。在洛斯阿拉莫斯团队的相关研究中，在非晶合金中添加铪使其在辐照和退火(一种在聚变环境中经历的热处理)下具有高稳定性。这一成功由首席研究员ElAtwani和洛斯阿拉莫斯博士后研究员MatheusTunes领导，最近在AppliedMaterialsToday中有所描述。

ElAtwani说：“这些项目构成了早期技术准备工作，材料的批量生产和进一步的实验是使它们成为面向等离子体的部件或结构核聚变材料所必需的。”“然而，我们用这些合金完成的总体工作，以及高通量模拟和实验输出，代表了未来新合金设计和评估的材料设计协议。这些结果将帮助我们选择材料以提高技术准备水平”