普林斯頓大學高級論文項目在尋求聚變能方面產(chǎn)生重大影響

2023-01-05 17:07:13 編輯：喬盛信來源：

導讀在工程師建造反應堆以通過聚變發(fā)電之前，他們必須讓反應堆的壁能夠承受反應產(chǎn)生的熱量和高能粒子。這是一個地獄般的環(huán)境，需要非常特殊的材

在工程師建造反應堆以通過聚變發(fā)電之前，他們必須讓反應堆的壁能夠承受反應產(chǎn)生的熱量和高能粒子。這是一個地獄般的環(huán)境，需要非常特殊的材料。

“這是一個非常重要、非常困難的問題，”普林斯頓化學和生物工程教授布魯斯·科爾說。

Koel在普林斯頓大學和普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)進行研究，他花了數(shù)十年時間研究材料表面。最近，他一直在研究聚變能所需的材料科學。去年，他要求他的一名本科生葉梅根(MeaganYeh)研究一種新方法，她將這項工作作為她畢業(yè)論文項目的一部分。

該方法涉及使用一種特殊類型的金屬鎢。Yeh主修化學和生物工程，去年夏天在PPPL工作，PPPL是普林斯頓大學運營的美國能源部實驗室，與Koel和實驗室等離子體科學與技術項目主任SamuelCohen一起工作。

Koel和一位同事提議的研究需要改造實驗室儀器，用等離子束轟擊鎢樣品，然后分析結果。紐約州立大學石溪分校材料科學與工程助理教授JasonTrelewicz提供了用于研究的一角硬幣大小的“納米顆粒”鎢樣品。

來自芝加哥的Yeh說她立即感興趣。該材料是一種稀有的鎢配方，具有良好的性能。她說，這個提議“令人興奮”。“這很有挑戰(zhàn)性。這令人生畏。”

Koel讓Yeh與博士后研究員LuxhertaBuzi一起參與該項目。Buzi在德國Jülich研究中心攻讀博士學位期間積累了鎢方面的專業(yè)知識。

“該項目懸而未決，我們認為這對Meagan來說是理想的選擇，”Buzi說，并補充說Yeh的貢獻將使項目向前推進的速度比沒有她的情況下研究團隊的進展速度要快得多。

在核聚變中，當兩個輕原子(例如氫同位素)聚變形成一個稍重的原子(例如氦)時，會釋放出巨大的能量。聚變可能比核裂變更安全、更可持續(xù)，核裂變?nèi)缃裼糜诤四?，涉及將鈾等重原子分裂成更輕但具有高放射性的原子。一種被提議的建造聚變工廠的方法涉及在被限制在磁場中的過熱等離子體中的聚變反應。等離子體是一種電離氣體，這意味著它由帶正電的離子和帶負電的電子組成。

在能夠建立商業(yè)聚變工廠之前，工程師必須克服許多挑戰(zhàn)。首先，他們必須創(chuàng)建反應堆的一部分，以承受反應產(chǎn)生的高溫和粒子轟擊。為了制造這個稱為偏濾器的部分，工程師必須開發(fā)一種足夠堅韌的材料來承受懲罰。

用于剃須刀刀片和高性能渦輪機的鎢似乎是用于面向等離子體的偏濾器部件的有前途的候選材料。鎢極其堅硬和致密，是所有元素中熔點最高的。該材料的性能必須近乎完美;即使進入等離子體的微量腐蝕材料也會阻礙內(nèi)部發(fā)生的聚變。

“一個解決方案是用非常難熔且堅固的材料制造偏濾器——用鎢制造它，”Koel說。“但是鎢有幾個問題。”

一個重大問題涉及粒子——氫同位素和氦——它們來自聚變反應?？茖W家通過將等離子體限制在強磁場中然后將其加熱至高溫來產(chǎn)生這些反應。這些場能有效地保持等離子體，但許多粒子會逸出，撞擊反應器的壁并被困在材料內(nèi)部。對于偏濾器來說尤其如此。

“它們會產(chǎn)生裂縫和水泡，”葉說。最終，鎢失效了。

研究人員想知道他們的特殊鎢樣品是否可以提供解決方案。所有的鎢都是由微小的晶體組成的，這些晶體之間的邊界被稱為晶界。在納米顆粒鎢中，晶體比標準多晶材料小得多，因此有更多的晶界。研究人員認為，這些邊界可以為粒子在積聚并對鎢造成進一步損害之前逃逸創(chuàng)造一條途徑。為了測試這一點，他們計劃在不同的表面溫度下用氘和氦等離子體照射鎢，模擬聚變反應堆中的條件，看看納米顆粒是否有助于減輕被困粒子的影響。

Buzi建議團隊在加州大學圣地亞哥分校進行實驗，她曾在那里攻讀博士學位。他們的線性等離子設備稱為PISCES-A，如果可用的話，將提供特別準確的模擬。

Buzi給她的一位前同事RussDoerner打了電話。“他告訴我，他們有幾個星期的時間，然后才真正忙于召開會議，”Buzi說。“幸運的是，那是普林斯頓大學的寒假。”

“納米晶鎢和鎢鈦合金材料的氘和氦離子輻照;普林斯頓大學;MeaganYeh，2018年”

帶著一種成就感，小葉拍下了這張裝訂好的畢業(yè)論文照片，發(fā)給了朋友們。

梅根·葉攝

Doerner說他們可以在設備上使用兩周。工作雙班制，他們能夠在一周內(nèi)完成?？焖俚墓ぷ鳛檠芯咳藛T提供了進行更多測試的機會。接下來的一周，他們在真空室中將樣品加熱到1000攝氏度，并測量了鎢中氘和氦的含量。

“非常成功，機器運行良好，一切都按計劃進行，”Buzi說。

這對搭檔還有一項艱巨的工作要做：回到普林斯頓后，他們需要分析樣本，樣本的規(guī)模太小，無法用傳統(tǒng)顯微鏡觀察。普林斯頓材料科學技術研究所(PRISM)是他們的下一站。

“沒有多少地方可以找到他們在PRISM擁有的設備類型或專家，”??Yeh說。

高級研究員Yao-WenYeh幫助準備了樣品，其中一些樣品被切成不到100納米厚(比一張紙薄一千倍)。然后，MeaganYeh使用掃描電子顯微鏡檢查樣品是否有損壞，而Yao-WenYeh使用透射電子顯微鏡進行檢查。

研究人員對結果感到滿意。Koel表示，他預計他們最終會發(fā)表期刊文章，其中MeaganYeh將成為合著者。

“它們是聚變應用的重要結果，”他說。“他們?yōu)楦嗟难芯看蜷_了大門。”