新开发的材料能将氢吞下，吐出，保护聚变反应堆壁

诸平

Fig. 1 The researchers' cold spray tantalum sample is being exposed to deuterium plasma during testing at Forschungszentrum Jülich GmbH in Germany. Credit: Mykola Ialovega

Fig. 2 From left to right: Engineer Jeremiah Kirch, postdoctoral researcher Mykola Ialovega and assistant scientist Marcos Xavier Navarro-Gonzalez, who work on the implementation of tantalum coatings as a plasma-facing material for the WHAM device, which is pictured in the background. Credit: Mykola Ialovega

据美国威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin-Madison简称UW-Madison）2023年12月14日提供的消息，威斯康辛大学麦迪逊分校的工程师们利用喷涂技术生产出一种新的骨干材料，这种材料可以承受核聚变反应堆内部的恶劣条件。能将氢吞下，吐出，保护聚变反应堆的壁（Newly developed material gulps down hydrogen, spits it out, protects fusion reactor walls）。相关研究结果于2023年10月17日已经在《物理手稿》（Physica Scripta）杂志网站发表——Mykola Ialovega, Tyler Dabney, Marcos Navarro Gonzalez, Hwasung Yeom, Danah Velez, Evan Willing, Jay K Anderson, Thierry Angot, Régis Bisson, Cary Forest, Arkadi Kreter, Oliver Schmitz, Kumar Sridharan. Initial study on thermal stability of cold spray tantalum coating irradiated with deuterium for fusion applications. Physica Scripta, 2023, 98: 115611. DOI: 10.1088/1402-4896/ad0098. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1402-4896/ad0098/pdf.此论文详细介绍了这一研究进展，它可以使更高效的紧凑型聚变反应堆更容易维修和维护。

该论文的第一作者、威斯康星大学麦迪逊分校核工程和工程物理博士后研究员尼古拉·伊亚洛夫伽（Mykola Ialovega）说:“核聚变界正在迫切寻找新的制造方法，以经济地生产聚变反应堆中面向等离子体的大型部件。我们的技术比目前的方法有了很大的改进。通过这项研究，我们是第一个证明在融合应用中使用冷喷涂技术的好处。”

研究人员使用冷喷涂工艺在不锈钢上沉积了一层耐高温的金属钽(tantalum元素符号Ta)涂层。他们在与聚变反应堆（fusion reactor）相关的极端条件下测试了他们的冷喷涂钽涂层，发现它的表现非常出色。重要的是，他们发现这种材料特别善于捕获氢粒子（hydrogen particles），这对紧凑的核聚变装置是有益的。

核工程与工程物理、材料科学（materials science）与工程教授库马尔·斯里德哈兰（Kumar Sridharan）说:“我们发现，由于涂层独特的微观结构，冷喷涂钽涂层比块状钽吸收更多的氢。”在过去的十年中，库马尔·斯里德哈兰的研究小组通过将冷喷雾技术应用于与裂变反应堆相关的多种应用，将其引入了核能界。

库马尔·斯里德哈兰说:“冷喷涂过程的简单性使其在应用中非常实用。”在聚变装置中，等离子体和电离的氢气被加热到极高的温度，等离子体中的原子核发生碰撞和聚变，这个聚变过程产生能量。然而，一些氢离子（hydrogen ions）可能被中和并从等离子体中逸出。

“这些氢中性粒子在等离子体中造成功率损失，这使得维持一个热等离子体和一个有效的小型聚变反应堆非常具有挑战性，”在核工程和工程物理学教授奥利弗·施米茨（Oliver Schmitz）的研究小组工作的尼古拉·伊亚洛夫伽说。

这就是为什么研究人员着手为面向等离子体的反应堆壁创造一种新的表面，这种表面可以在氢粒子与壁碰撞时捕获它们。钽本身就善于吸收氢，研究人员怀疑，使用冷喷涂工艺制造钽涂层将进一步提高其吸氢能力。

制作冷喷涂涂层有点像使用一罐喷漆。它包括以超音速将涂层材料的颗粒推进到表面上。撞击后，颗粒像煎饼一样变平，覆盖了整个表面，同时保留了涂层颗粒之间的纳米级边界。研究人员发现，这些微小的边界有助于氢粒子的捕获。

尼古拉·伊亚洛夫伽在法国艾克斯-马赛大学（Aix Marseille University）和德国尤里希研究中心（Forschungszentrum Jülich GmbH）的设施中对涂层材料进行了实验。在这些实验中，他发现，当他将材料加热到更高的温度时，它会排出被困住的氢粒子，而不会改变涂层——这一过程基本上使材料再生，从而可以再次使用。

尼古拉·伊亚洛夫伽说:“冷喷涂法的另一大好处是，它允许我们通过涂上一层新的涂层来现场修复反应堆部件。目前，损坏的反应堆部件经常需要拆除并更换一个全新的部件，这既昂贵又耗时。”

研究人员计划在威斯康辛州高温超导轴对称镜(Wisconsin HTS Axisymmetric Mirror简称WHAM)中使用他们的新材料。这个实验装置正在威斯康辛州麦迪逊附近建造。它将作为威斯康星大学麦迪逊分校的子公司Realta Fusion开发的未来下一代核聚变发电厂的原型。WHAM实验位于物理科学实验室（Physical Sciences Laboratory），是威斯康星大学麦迪逊分校（UW–Madison）、麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）和联邦融合系统（Commonwealth Fusion Systems）之间的合作项目。

奥利弗·施米茨说:“创造一种具有良好控制氢气处理能力、抗侵蚀性和一般材料弹性的难熔金属复合材料，是等离子体设备和聚变能系统（fusion energy systems）设计的一个突破。改变合金和包括其他难熔金属以增强核应用复合材料的前景尤其令人兴奋。”

本文提供的信息、数据或工作部分由美国能源部（US Department of Energy）高级能源研究计划署(Advanced Research Projects Agency-Energy简称ARPA-E)资助（Award Number DE-AR0001258）;部分由美国能源部资助（US Department of Energy under grant DE-SC0020284），部分由威斯康星大学麦迪逊分校工程学院和核工程与工程物理系直接资助。还有来自美国国家科学基金会（NSF through the University of Wisconsin Materials Research Science and Engineering Center DMR-1720415）以及法国磁聚变研究联合会（French Federation for Magnetic Fusion Studies简称FR-FCM）的支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Removal of neutral hydrogen atoms in the plasma edge reduces the number of charge exchange events and thus, the net energy losses in the plasma, significantly improving performance of fusion devices. Effective control of the residual pressure of hydrogen isotopes (HIs) in the plasma edge may be achieved by utilizing a hydrogen absorbing first wall interface capable of withstanding the harsh fusion environment. In this study, we have investigated tantalum (Ta) coating deposited by cold spray technology on 316L stainless steel substrate as a potential plasma-facing material surface. High fluence low energy deuterium plasma irradiation experiments and subsequent thermal annealing cycles associated with thermal desorption spectrometry (TDS) demonstrated superior structural stability of the Ta coating. TDS experiments revealed the outgassing of deuterium (as measure of its retention) for cold spray Ta coatings to be three times higher than bulk Ta and two orders of magnitude greater than bulk polycrystalline W. X-ray photoelectron spectroscopy revealed evolution of oxidation states upon deuterium irradiation and a partial recovery of the metallic signature of Ta after the thermal treatment at 1100 K.