在能源科學(xué)的前沿，科學(xué)家們正致力於將核聚變這一清潔能源夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。然而，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)並非易事，其中一項(xiàng)重要的技術(shù)挑戰(zhàn)在於，選擇和開發(fā)能夠承受極端工作條件的面向等離子體材料（Plasma-Facing Material, PFM），這些苛刻條件包括極高的溫度、持續(xù)的中子、電子、帶電離子和高能輻射的衝擊。
目前已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可的面向等離子體材料是鎢。鎢作為自然界中熔點(diǎn)最高的金屬（熔點(diǎn)3422℃），具有極高的密度、良好的熱導(dǎo)率、優(yōu)異的抗輻射性能和抗濺射性能，這些特性使其在高溫環(huán)境下能夠保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和性能，成為核聚變反應(yīng)堆中第一壁和偏濾器等關(guān)鍵部件的首選材料。鎢作為面向等離子體材料，已經(jīng)成功應(yīng)用在了多個(gè)核聚變研究裝置中，如法國(guó)WEST（全鎢偏濾器托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置），歐洲ITER（國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆）以及中國(guó)EAST（東方超環(huán)，全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置）等。
EAST全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，中鎢在線 攝
儘管如此，鎢的高溫易氧化和脆化問(wèn)題仍在限制其在高熱負(fù)荷區(qū)域的應(yīng)用。為了克服這一局限，科學(xué)家們一方面正在積極研究先進(jìn)鎢材料的增韌技術(shù)，另一方面也在不斷探索新的替代方案，尋找非鎢的面向等離子體材料。
瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）MARVEL實(shí)驗(yàn)室的研究人員致力於通過(guò)理論和計(jì)算方法，尋找能夠承受核聚變極端條件的材料，以替代現(xiàn)有的鎢材料。他們開發(fā)了一種大規(guī)模篩選潛在面向等離子體材料的方法，並列出了一系列最有前景的候選材料。相關(guān)成果以《Comprehensive Screening of Plasma-Facing Materials for Nuclear Fusion》為題發(fā)表在《PRX Energy》期刊上。
東方超環(huán)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置模型，中鎢在線 攝
研究人員首先通過(guò)Pauling檔資料庫(kù)，一個(gè)包含大量已知無(wú)機(jī)晶體結(jié)構(gòu)的大型集合，篩選出具有足夠耐熱性能以在反應(yīng)堆溫度中存活的材料。他們考慮了材料的熱容量、熱導(dǎo)率、熔點(diǎn)和密度等關(guān)鍵性質(zhì)，並計(jì)算了每種材料在熔化前的最大厚度，從而對(duì)其進(jìn)行排名。對(duì)於那些無(wú)法計(jì)算最大厚度的材料，他們採(cǎi)用了Pareto優(yōu)化方法進(jìn)行排名。
經(jīng)過(guò)初步篩選，研究人員得到了71種候選材料。隨後，他們通過(guò)查閱文獻(xiàn)，排除了那些已經(jīng)被測(cè)試並淘汰或具有在核聚變反應(yīng)堆中無(wú)法使用的性質(zhì)的材料。例如，一些最近被提出應(yīng)用於核聚變反應(yīng)堆的創(chuàng)新材料，如高熵合金，就在這一階段被淘汰。
21種最佳面向等離子體材料候選，Andrea Fedrigucci等
最終，研究人員確定了21種最有前景的材料，並應(yīng)用密度泛函理論（DFT）工作流程計(jì)算了這些材料的兩個(gè)關(guān)鍵性質(zhì)：表面結(jié)合能和氫間隙形成能，這兩個(gè)指標(biāo)分別衡量了從表面提取原子的難易程度以及晶體結(jié)構(gòu)中的氚溶解度，是衡量材料是否適合作為核聚變反應(yīng)堆面向等離子體材料的重要指標(biāo)。
在最終排名中，除了鎢及其碳化物（碳化鎢，WC和W2C）、金剛石、石墨、氮化硼以及過(guò)渡金屬（如鉬、鉭和錸）等已經(jīng)過(guò)廣泛測(cè)試的材料外，還有一些令人驚訝的新發(fā)現(xiàn)，如氮化鉭的特定相以及其他基於硼和氮的陶瓷材料，這些材料此前從未被測(cè)試過(guò)用於核聚變應(yīng)用。
根據(jù)最終排名，面向等離子體材料的最佳候選者是金剛石，其熱性能和氫間隙形成能優(yōu)於大多數(shù)替代品，但是其低於石墨的抗物理濺射能力和氫滯留問(wèn)題將是其成為面相等離子材料研究中難以攻克的瓶頸。曾經(jīng)被研究過(guò)的金剛石和類金剛石碳作為塗層的應(yīng)用方案可能更具吸引力，但是過(guò)往的研究文獻(xiàn)中缺少對(duì)偏濾器區(qū)域等離子體通量下金剛石侵蝕率的實(shí)際估計(jì)。而金剛石複合材料的應(yīng)用則需要進(jìn)一步研究降解過(guò)程對(duì)偏濾器條件下金剛石熱性能和晶粒內(nèi)氫溶解度的影響。
未來(lái)，MARVEL實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)計(jì)畫利用神經(jīng)網(wǎng)路技術(shù)，以更精確地模擬材料在反應(yīng)堆中的實(shí)際情況，包括中子的相互作用等複雜過(guò)程。這將有助於進(jìn)一步篩選和優(yōu)化面向等離子體材料，為核聚變清潔能源的商業(yè)化應(yīng)用提供更多可能。
