2024年8月19日，麻省理工學院(MIT)發布了題為《More durable metals for fusion power reactors》的新聞稿，宣布了一項重大突破：研究人員發現了新方法可以顯著延長了聚變反應堆內部結構材料的使用壽命。

核聚變能源，長久以來被寄予厚望，被視為解決能源問題的終極答案。設想中的核聚變發電廠不僅能夠提供大規模的無碳能源，以對抗氣候變化，而且其燃料——氘，可以從海水中提取，幾乎可以說是取之不盡用之不竭。

盡管數十年的研究和巨額資金投入已經帶來了技術的重大突破，但核聚變發電廠的實現仍然面臨重重困難。麻省理工學院的李巨教授，作為東京電力公司核科學與工程的領軍人物，以及材料科學與工程領域的專家，明確指出了兩大核心挑戰。首要的挑戰是實現能量的凈增益，即發電廠產出的能量要超過其消耗的能量。全球的研究者們正不懈努力，力求達到這一里程碑。

李教授提出的第二個挑戰，雖然聽起來直接——“我們怎樣將熱量提取出來?”——但要深入理解這一問題并找到有效的解決之道，卻遠沒有那么簡單。

一、問題：氦氣過剩，破壞力強

核聚變反應堆依賴于一種特殊的物質狀態——等離子體，這是一種在真空容器內反應的電離氣體。在這個過程中，輕原子融合形成更重的原子，釋放出能量巨大的快中子。這些中子攜帶著它們的能量，穿越真空容器，進入冷卻劑，逐漸失去動能，同時轉化為熱能，這種熱能最終被用來產生蒸汽，驅動發電渦輪。

然而，要維持這樣一個系統，我們必須找到一種能夠承受等離子體和冷卻劑之間隔離的材料，同時還要允許這些快中子順利通過以加熱冷卻劑。盡管理論上，考慮到中子對材料結構的撞擊，真空容器應該能夠持續使用十年。但實際上，根據不同的材料選擇，有預測顯示這種容器的使用壽命可能只有短短的6到12個月。這與核裂變反應堆的長期使用形成了鮮明對比。

聚變中子的動能遠超過裂變中子，它們在穿透容器壁時，會與材料中的原子核發生相互作用，產生大量的氦原子。這些氦原子尋找能量需求較低的地方聚集，而金屬的晶界正是這樣的地方。晶界是金屬晶粒相遇的地方，這里的原子排列不如晶粒內部整齊，為氦原子提供了一個低嵌入能的聚集地。

氦原子的聚集和排斥作用會逐漸推開晶粒邊界，隨著時間的積累，這些小的開口可能發展成為裂縫，最終導致真空容器的破裂。這種現象解釋了為什么實際的使用壽命遠低于基于氦原子數量的預期。

李教授用一個生動的比喻來說明這一點：“巴比倫是一個百萬人口的大城市，但100個壞人足以破壞整個城市——如果他們都集中在市政廳工作的話。”這個比喻說明了問題的關鍵在于如何分散這些“壞人”的集中破壞力。

對于李教授而言，解決這個問題的方法與聚變反應堆中的策略相似。如果大量氦原子同時聚集在晶界，它們可能會破壞金屬壁。解決的辦法是添加一種具有更低氦嵌入能的材料，以吸引氦原子離開晶界。李教授和他的團隊在過去兩年中已經展示了這種策略的有效性，通過在金屬壁中添加精心挑選的第二種材料的納米級顆粒，成功地防止了氦原子在金屬中結構脆弱的晶界處聚集，從而延長了真空容器的使用壽命。

二、尋找吸收氦的化合物

為了驗證他們的想法，來自材料科學與工程系及核科學與工程系的金素妍(Yeon Kim)和徐浩偉(Haowei Xu)聯手獲取了一個特殊的雙相材料樣本，其中一相的氦嵌入能遠低于另一相。在接近聚變反應堆的工作溫度下，他們進行了氦離子注入實驗，觀察到氦氣泡主要在氦嵌入能較低的相中形成。這一現象正如李教授所言，"所有損傷都集中在低嵌入能的相中，這證明了它為另一相提供了保護。"

驗證了實驗方法的有效性后，研究團隊將目光投向了尋找與鐵——真空容器壁的主要構成金屬——相容的氦吸收化合物。金素妍指出，"計算不同材料的氦嵌入能既復雜又成本高昂。我們需要一個易于計算且可靠的指標。"

他們發現了“原子級自由體積”這一指標，這是指氦原子可能占據的內部空間的最大尺寸。金素妍解釋道，"這相當于能夠適配到特定晶體結構中的最大球體半徑，計算過程十分簡單。" 經過對多種陶瓷材料的分析，他們發現原子自由體積與氦嵌入能之間存在很好的相關性，且許多陶瓷材料具有更低的嵌入能。

在核聚變應用的篩選過程中，除了原子自由體積，還需考慮材料的機械強度、抗放射性、與金屬的相容性等因素。李教授強調，"我們希望陶瓷相能夠均勻分散在金屬基體中，保護所有的晶界區域，同時避免陶瓷相聚集或溶解。"

通過分析工具，金素妍和徐浩偉在50,000種化合物中篩選出了750種潛在候選材料。其中，鐵硅酸鹽因其出色的特性，成為適用于主要由鐵構成的真空容器壁的理想材料。這一發現為核聚變反應堆材料的研究開辟了新的道路。

三、實驗測試

研究人員已準備好在實驗室中檢查樣本。為了制作用于概念驗證 演示的復合材料，Kim 和同事們將納米級硅酸鐵顆粒分散到鐵中，并將氦注入該復合材料中。她在注入氦之前和之后拍攝了 X 射線衍射 (XRD) 圖像，并計算了 XRD 圖案。植入的氦和分散的硅酸鐵之間的比例經過嚴格控制，以便直接比較實驗和計算的 XRD 圖案。測得的 XRD 強度隨氦注入而變化，正如計算所預測的那樣。“這種一致性證實了原子氦儲存在硅酸鐵的晶格塊內，”Kim 說。

為了進行后續研究，Kim 直接計算了復合材料中的氦氣泡數量。在未添加硅酸鐵的鐵樣品中，晶粒邊界兩側有許多氦氣泡。相比之下，在添加了硅酸鐵陶瓷相的鐵樣品中，氦氣泡遍布整個材料，晶粒邊界上的氦氣泡要少得多。因此，硅酸鐵提供了具有低氦嵌入能量的位置，將氦原子引離晶粒邊界，保護了這些脆弱的開口，并防止裂縫張開并導致真空容器災難性故障。

研究人員得出的結論是，只要在真空容器的鐵壁上添加 1%(按體積計)的硅酸鐵，就能將氦氣泡的數量減少一半，并將其直徑縮小 20%——“如果小氣泡不在晶界內，那么存在大量小氣泡也是正常的”，李解釋說。

四、后續步驟

到目前為止，李和他的團隊已經從對該問題和可能的解決方案的計算研究，發展到證實其方法的實驗演示。他們正在順利實現組件的商業化制造。“我們已經制造出與現有商用 3D 打印機兼容的粉末，并預裝了吸氦陶瓷，”李說。吸氦納米顆粒分散良好，應能提供足夠的氦吸收，以保護容器壁結構金屬中脆弱的晶粒邊界。雖然李證實還有更多的科學和工程工作要做，但他與核科學與工程系的 Alexander O'Brien 博士(23 屆)和同一系的前博士后 Kang Pyo So 一起成立了一家初創公司，準備 3D 打印結構材料，以應對聚變反應堆內真空容器面臨的所有挑戰。

這項研究得到了多方的支持。主要資助者為Eni SpA，通過麻省理工學院能源計劃提供。此外，Kwajeong獎學金、美國能源部(DOE)下屬的愛達荷國家實驗室的研究與開發計劃、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室，以及韓國國家研究基金會的創新材料發現計劃也提供了寶貴的支持。