核工程师称核聚变能源需要耐热耐辐射的材料才能可靠

聚变能有可能成为一种有效的清洁能源，因为其反应会产生大量能量。聚变反应堆旨在在地球上重现太阳核心中发生的事件，在那里，非常轻的元素会合并并释放能量。工程师可以利用这种能量加热水并通过蒸汽涡轮机发电，但聚变的路径并不完全简单。

受控核聚变相较于其他发电能源具有多项优势。首先，核聚变反应本身不会产生任何二氧化碳。不存在熔毁风险，而且核聚变反应不会产生任何长寿命放射性废物。

我是一名核工程师，研究可用于聚变反应堆的材料。聚变发生在极高的温度下。因此，为了有朝一日使聚变成为可行的能源，反应堆需要采用能够承受聚变反应产生的热量和辐射的材料来建造。

聚变材料挑战

在聚变反应中，有几种元素可以融合。大多数科学家更喜欢的是氘和氚。这两种元素在反应堆可以维持的温度下聚变的可能性最高。该反应会产生一个氦原子和一个中子，中子会携带反应中的大部分能量。

自1952年以来，人类已在地球上成功实现聚变反应，有些甚至在自家的车库中实现。但现在的难题是让它物有所值。你需要从该过程中获取的能量要比启动反应所投入的能量多。

聚变反应发生在非常热的等离子体中，等离子体是一种类似于气体但由带电粒子组成的物质状态。等离子体需要保持极热(超过1亿摄氏度并在反应期间保持凝聚状态。

为了保持等离子体的温度和凝聚力，并产生可以持续进行的反应，你需要用特殊材料制作反应堆壁。你还需要一个便宜而可靠的燃料来源。

虽然氘很常见，可以从水中获取，但氚却非常稀有。一座1千兆瓦的核聚变反应堆预计每年将燃烧56公斤氚。但世界上可供商业使用的氚只有大约25公斤。

在核聚变能源真正投入使用之前，研究人员需要找到氚的替代来源。一种选择是让每个反应堆通过一种名为“增殖包层”的系统自行产生氚。

增殖包层是等离子体室壁的第一层，其中含有锂，锂与聚变反应中产生的中子发生反应，生成氚。增殖包层还将这些中子携带的能量转化为热能。

ITER的聚变反应室将使等离子体带电。

聚变装置还需要一个偏滤器，用于提取反应中产生的热量和灰烬。偏滤器有助于使反应持续更长时间。

这些材料将受到前所未有的高温和粒子轰击。目前还没有任何实验设施可以重现这些条件并在真实场景中测试材料。因此，我的研究重点是利用模型和计算机模拟来弥补这一差距。

从原子到完整设备

我和我的同事致力于开发可以预测聚变反应堆中的材料如何腐蚀以及它们在暴露于极端高温和大量粒子辐射时性质如何变化的工具。

当它们受到辐射时，这些材料中会形成并增长缺陷，从而影响它们对热量和压力的反应。未来，我们希望政府机构和私营公司可以使用这些工具来设计核聚变发电厂。

我们的方法称为多尺度建模，包括使用一系列计算模型研究不同时间和长度尺度上的这些材料的物理特性。

我们首先通过精确但昂贵的模拟研究原子尺度上这些材料中发生的现象。例如，一个模拟可能会检查氢在辐射过程中如何在材料中移动。

通过这些模拟，我们可以观察诸如扩散率之类的特性，这些特性可以告诉我们氢在整个材料中可以扩散多少。

我们可以将这些原子级模拟的信息整合到成本更低的模拟中，从而观察材料在更大规模上如何反应。这些更大规模的模拟成本更低，因为它们将材料建模为连续体，而不是考虑每个原子。

原子级模拟在超级计算机上可能需要数周时间才能运行，而连续模拟则仅需几个小时。

然后将计算机上进行的所有建模工作与实验室中获得的实验结果进行比较。

例如，如果材料的一侧有氢气，我们想知道有多少氢气泄漏到材料的另一侧。如果模型和实验结果相符，我们就可以对模型充满信心，并用它来预测同种材料在聚变装置中预期的条件下的行为。

如果它们不匹配，我们会回到原子尺度模拟来调查我们遗漏了什么。

此外，我们可以将更大规模的材料模型与等离子体模型结合起来。这些模型可以告诉我们核聚变反应堆的哪些部分温度最高或粒子轰击最多。从那里，我们可以评估更多的场景。

例如，如果在聚变反应堆运行期间过多的氢气从材料中泄漏，我们可以建议在某些地方使材料变厚，或者添加一些东西来捕获氢气。

设计新材料

随着对商业核聚变能源的追求不断深入，科学家将需要设计出更具弹性的材料。可能性领域令人生畏——工程师可以用多种方式将多种元素组合在一起制造。

你可以将两种元素组合起来，制造出一种新材料，但你如何知道每种元素的正确比例?如果你想尝试混合五种或更多元素，该怎么办?尝试对所有这些可能性进行模拟将花费太长时间。

值得庆幸的是，人工智能可以提供帮助。通过结合实验和模拟结果，分析人工智能可以推荐最有可能具有我们所需特性的组合，例如耐热和抗压性。

目的是减少工程师必须生产和实验测试的材料数量，以节省时间和金钱。