核聚變為解決我們面臨的能源挑戰提供了一個前景廣闊的解決方案，它有可能提供幾乎無限的電力來源，而且沒有溫室氣體排放。 然而，這在技術上仍然存在重大障礙，特別是在聚變反應堆所需的材料方面，這些反應堆依賴於能夠承受等離子體介面極端條件的材料。
EPFL 的研究人員正在測試用於聚變反應堆的新材料。 透過計算篩選，他們找到了潛在的鎢替代品，它們可以更好地承受核聚變的挑戰，從而有可能推動核聚變能源技術的發展。 (2017年，美國聖地亞哥，一名工人在聚變實驗反應堆的真空容器內）。 圖片來源：Rswilcox, CC BY-SA 4.0 via Wikimedia Commons
國際熱核聚變實驗堆專案是正在法國南部建造的一個實驗性歐洲反應堆，其中包括一個名為"分流器"的關鍵部件。 該裝置提取聚變反應產生的熱量和灰燼，並將等離子體中的熱量和粒子流匯入特定表面進行冷卻。 分流器面向等離子體的材料不僅必須承受極高的溫度，還必須經受中子、電子、帶電離子和高能輻射的持續衝擊。
由於鎢具有超強的耐熱性，ITER 選擇鎢作為分流器的材料。 不過，之前也考慮過其他材料，如碳纖維和陶瓷。 隨著研究人員繼續探索能更好地滿足核聚變獨特要求的替代材料，鎢是否仍將是未來反應堆的最佳選擇，這個問題依然存在。
理論和計算方法能否幫助尋找最佳的分流器材料，從而促進核聚變的實現？ 尼古拉-馬爾扎裡（Nicola Marzari）在洛桑聯邦理工學院 MARVEL 實驗室的科學家們決定回答這個問題，他們在PRX能源雜誌上發表了一篇新文章，介紹了一種大規模篩選潛在等離子體材料的方法，以及一份最有前途材料的短名單。
首先，科學家們必須找到一種可處理的計算方法。THEOS 實驗室的博士生、論文第一作者 Andrea Fedrigucci 說："要真實模擬等離子體-材料介面的動態，就必須在幾毫秒內模擬數千個原子的行為，這在普通計算能力下是不可行的。因此，我們決定選擇面向等離子體的材料需要具備的幾個關鍵特性，並用它們來表明材料在分流器上的效能如何。"
首先，科學家們查看了鮑林檔案資料庫（一個已知無機晶體結構的大集合），並建立了一個工作流程，以找到那些具有足夠耐受反應堆內溫度的晶體。 這可以透過觀察它們的熱容量、熱導率、熔化溫度和密度來了解。 由於材料層的表面溫度取決於其厚度，他們還計算了每種材料在熔化前的最大厚度，並據此對材料進行了排序。 對於無法計算出最大厚度資訊的材料，他們採用了帕累託最佳化法，根據上述特性進行排序。
入圍程式開始
結果，第一批入圍名單上有 71 個候選。 在這一階段，必須使用一種非常非計算性的老式方法。
"我耐心地查閱了每一種材料的相關文獻，以檢查它們是否已經過測試並被廢棄，或者是否存在資料庫中沒有的妨礙在聚變反應堆中使用的特性，例如在等離子體和中子轟擊下容易被侵蝕或熱效能下降等。"
有趣的是，這部分研究導致放棄了一些最近被提議應用於聚變反應堆的創新材料，如高熵合金作為分流器材料。
最終選擇有前途的材料
最終，21 種材料被選中，並應用 DFT 工作流程計算出優秀等離子體聚變材料應具備的兩個關鍵屬性：表面結合能（衡量從表面提取原子的難易程度）和氫間隙的形成能（衡量晶體結構中氚溶解度的代表）。
Fedrigucci說："如果分流器材料在其執行壽命期間受到過度侵蝕，釋放出的原子就會分散到等離子體中，導致其溫度降低。此外，如果材料與氚發生化學反應，就會減少可用於核聚變的氚，並導致氚庫存積累，從而超出此類技術的安全限制。"
最後，根據所有關鍵特性得出的最終排名包括一些已經過廣泛測試的常見物質：金屬（W）和碳化物（WC 和 W2C）形式的鎢、金剛石和石墨、氮化硼以及鉬、鉭和錸等過渡金屬。 但也有一些驚喜，例如氮化鉭的一種特殊相或其他基於硼和氮的陶瓷，它們從未在這種應用中進行過測試。
研究小組希望在未來利用神經網路更好地模擬材料在反應堆中的真實情況，包括與中子的相互作用，而這些在這裡是無法模擬的。
編譯自/ScitechDaily
