研究人員正在開發(fā)一種含有數(shù)十億納米級(jí)碳化鈦（TiC）顆粒的低活化鐵素體/馬氏體（RAFM）鋼。

一種旨在承受聚變能反應(yīng)堆內(nèi)部極端條件的新型先進(jìn)鋼材，在測(cè)試顯示其在高輻射水平下會(huì)發(fā)生膨脹后，需要進(jìn)一步開發(fā)。這一發(fā)現(xiàn)來(lái)自密歇根大學(xué)（U-M）工程師領(lǐng)導(dǎo)的一系列研究。

“這些結(jié)果代表了關(guān)于聚變相關(guān)鋼材輻射耐受性的一些最高保真度的結(jié)果，將在未來(lái)數(shù)年指導(dǎo)合金開發(fā)和輻射效應(yīng)模型的改進(jìn)，”密歇根大學(xué)核工程與放射科學(xué)教授、這些研究的資深作者凱文·菲爾德（Kevin Field）說(shuō)。

聚變能通過(guò)結(jié)合輕原子來(lái)產(chǎn)生能量，正被探索作為裂變能源更清潔、更可持續(xù)的替代方案。然而，建造聚變反應(yīng)堆是一項(xiàng)重大的工程挑戰(zhàn)。反應(yīng)堆部件必須承受高達(dá)600攝氏度（1112華氏度）的溫度，并且能夠抵抗輻射損傷和氦氣的產(chǎn)生 —— 氦氣會(huì)導(dǎo)致材料膨脹和扭曲。

轟擊鋼材樣品

為解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員一直在開發(fā)一種含有數(shù)十億納米級(jí)碳化鈦（TiC）析出物的低活化鐵素體/馬氏體（RAFM）鋼。這些顆粒旨在捕獲聚變反應(yīng)產(chǎn)生的氦氣，防止材料膨脹。密歇根大學(xué)團(tuán)隊(duì)專門測(cè)試了一種名為“可澆注納米結(jié)構(gòu)9號(hào)合金”（CNA9）的新一代RAFM合金。

密歇根大學(xué)團(tuán)隊(duì)采用了一種突破性的方法，使用粒子加速器同時(shí)用兩種離子束轟擊鋼材樣品：一種用于造成輻射損傷，另一種用于引入氦氣。這種方法比以往孤立測(cè)試這些因素的實(shí)驗(yàn)更準(zhǔn)確地模擬了聚變反應(yīng)堆內(nèi)部的條件。

在高損傷水平下溶解

他們的測(cè)試表明，雖然碳化鈦析出物在較低輻射水平下成功捕獲了氦氣，但在高損傷水平下（每原子50至100次位移，簡(jiǎn)稱dpa），它們開始溶解。一旦顆粒溶解，合金就失去了捕獲氦氣的能力，導(dǎo)致顯著的2%膨脹。

“在高輻射劑量（>15 dpa）下的結(jié)果令人驚訝，因?yàn)槲覀冾A(yù)計(jì)在評(píng)估的最高溫度下，碳化鈦析出物仍會(huì)保持穩(wěn)定，但顯然情況并非如此，”密歇根大學(xué)核工程與放射科學(xué)教授、論文的資深作者凱文·菲爾德說(shuō)。

研究人員稱這些發(fā)現(xiàn)是關(guān)于聚變相關(guān)鋼材的“最高保真度結(jié)果”之一，為未來(lái)的合金開發(fā)提供了關(guān)鍵指導(dǎo)。

防止膨脹

研究團(tuán)隊(duì)建議，將碳化鈦析出物的密度增加1000倍可能更有效地防止膨脹。他們還建議進(jìn)行進(jìn)一步的離子束測(cè)試，以更好地模擬聚變反應(yīng)堆的復(fù)雜環(huán)境。

“這種能力至關(guān)重要，因?yàn)槲覀冋谂Πl(fā)現(xiàn)和優(yōu)化材料，以實(shí)現(xiàn)未來(lái)核聚變能源的部署，”該研究的主要作者T.M. 凱爾西·格林（T.M. Kelsy Green）強(qiáng)調(diào)道。

盡管聚變能潛力巨大 —— 它可以利用海水中的氫同位素運(yùn)行，并且不會(huì)帶來(lái)核熔毀的風(fēng)險(xiǎn) —— 但該技術(shù)目前仍未準(zhǔn)備好用于小型發(fā)電廠。

“在高輻照劑量下碳化鈦析出物的溶解為未來(lái)的開發(fā)工作提供了寶貴的指導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)了在CNA鋼設(shè)計(jì)中需要更穩(wěn)定的碳化鈦析出物，”合著者應(yīng)揚(yáng)（音譯）總結(jié)道。

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