“吞吐氫氣”材料可作聚變“防火墻”
發布時間：2023年12月25日
來源：科技日報
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美國威斯康星大學麥迪遜分校工程師使用超音速冷噴涂技術，生產出一種新的核聚變“主力軍”材料，可承受聚變反應堆內的惡劣條件。最近發表在《物理寫作》雜志上的這一進展，有助于實現更高效的緊湊型聚變反應堆。
核聚變科學家正在迫切尋找一種經濟的方式，以制造能在聚變反應堆中直面大型高溫等離子體的部件。
在聚變裝置中，等離子體（一種電離的氫氣）被加熱到極高的溫度，等離子體中的原子核相互碰撞并融合。這種聚變過程產生能量。然而，一些氫離子可能被中和并從等離子體中逸出。這些氫中性粒子會在等離子體中造成功率損失，使維持高溫等離子體和擁有有效的小型聚變反應堆變得具有挑戰性。這項研究首次證明，將冷噴涂技術用于聚變應用有好處。
鉭是一種可以承受高溫的金屬，擅長捕獲氫。研究人員使用冷噴涂工藝使不銹鋼上沉積了一層鉭。噴涂過程中，涂層材料顆粒以超音速的速度噴涂到不銹鋼表面。撞擊時，顆粒會像煎餅一樣變平，覆蓋整個表面，同時保留涂層顆粒之間的納米級邊界。研究人員發現，這些微小的邊界有助于吞入氫粒子。
研究人員在與聚變反應堆相關的極端條件下測試了鉭涂層，發現它表現得非常好。實驗還發現，當材料加熱到更高的溫度時，鉭涂層能在不改變自身的情況下吐出捕獲的氫粒子。這一過程本質上可使材料再生，以便再次使用。
冷噴涂方法不僅提高了鉭捕獲氫離子的能力，還允許人們能在現場修復反應堆部件。
研究人員創造出一種耐火金屬復合材料，它具有良好的氫氣處理方式，以及耐腐蝕性和彈性，這是等離子體設備和聚變能源系統設計的突破。