“吞吐氢气”材料可作核聚变防火墙

从左至右分别为工程师耶利米·基尔希、博士后研究员米科拉·伊亚洛韦加和助理科学家马科斯·格扎维埃·纳瓦罗-冈萨雷斯，他们致力于将钽涂层作为面向威斯康星高温超导轴对称反射镜（WHAM）的等离子体材料。

图片来源：米科拉·亚洛维加/美国威斯康星大学麦迪逊分校

　　美国威斯康星大学麦迪逊分校工程师使用超音速冷喷涂技术，生产出一种新的核聚变“主力军”材料，可承受聚变反应堆内的恶劣条件。最近发表在《物理写作》杂志上的这一进展，有助于实现更高效的紧凑型聚变反应堆。

　　核聚变科学家正在迫切寻找一种经济的方式，以制造能在聚变反应堆中直面大型高温等离子体的部件。

　　在聚变装置中，等离子体（一种电离的氢气）被加热到极高的温度，等离子体中的原子核相互碰撞并融合。这种聚变过程产生能量。然而，一些氢离子可能被中和并从等离子体中逸出。这些氢中性粒子会在等离子体中造成功率损失，使维持高温等离子体和拥有有效的小型聚变反应堆变得具有挑战性。这项研究首次证明，将冷喷涂技术用于聚变应用有好处。

　　钽是一种可以承受高温的金属，擅长捕获氢。研究人员使用冷喷涂工艺使不锈钢上沉积了一层钽。喷涂过程中，涂层材料颗粒以超音速的速度喷涂到不锈钢表面。撞击时，颗粒会像煎饼一样变平，覆盖整个表面，同时保留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吞入氢粒子。

　　研究人员在与聚变反应堆相关的极端条件下测试了钽涂层，发现它表现得非常好。实验还发现，当材料加热到更高的温度时，钽涂层能在不改变自身的情况下吐出捕获的氢粒子。这一过程本质上可使材料再生，以便再次使用。

　　冷喷涂方法不仅提高了钽捕获氢离子的能力，还允许人们能在现场修复反应堆部件。

　　研究人员创造出一种耐火金属复合材料，它具有良好的氢气处理方式，以及耐腐蚀性和弹性，这是等离子体设备和聚变能源系统设计的突破。

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