核聚變是為(wei) 太陽和所有其他恒星提供動力的過程。在核聚變過程中，兩(liang) 個(ge) 原子核的距離足夠近，它們(men) 融合在一起，釋放出巨大的能量。在地球上複製這一過程，有可能提供幾乎無限的電力，而且碳排放幾乎為(wei) 零，更加安全，也沒有裂變過程中的核廢料。但是，在地球上建造一顆迷你星，並在反應堆內(nei) 將其固定在一起並非易事。它需要巨大的溫度和壓力以及極強的磁場。

　　現在我們(men) 還沒有能夠承受這些極端情況的材料。但像研究人員正在努力開發它們(men) ，而且在這一過程中發現了一些令人興(xing) 奮的東(dong) 西。

　　在地球上有許多方法來控製核聚變反應，但最常見的是使用一種叫做 "托卡馬克"的甜甜圈形裝置。在 "托卡馬克"內(nei) ，反應的燃料被稱為(wei) 氘和氚的氫的同位素，他們(men) 被加熱到極高的溫度直到它們(men) 變成等離子體(ti) 。等離子體(ti) 是指原子中的電子有足夠的能量逃離原子核，並開始四處漂浮。因為(wei) 它是由帶電粒子組成的，與(yu) 普通氣體(ti) 不同，它可以被包含在磁場中。這意味著它不會(hui) 接觸反應堆的兩(liang) 側(ce) ，而是以甜甜圈的形狀漂浮在中間。

　　當氘和氚擁有足夠的能量時，它們(men) 就會(hui) 融合在一起，產(chan) 生氦氣、中子並釋放能量。等離子體(ti) 必須達到1億(yi) 攝氏度的溫度，才能發生大量的聚變，比太陽中心的溫度高10倍。它必須要熱得多，因為(wei) 太陽的粒子密度要高得多。

　　雖然等離子反應被包含在一個(ge) 磁場內(nei) ，但反應堆本身仍然必須承受巨大的溫度。預計將於(yu) 2035年建成的世界上最大的核聚變實驗：ITER，機器最熱的部分將達到1300℃左右。即便如此，有時等離子體(ti) 可能會(hui) 與(yu) 反應堆的牆壁發生碰撞。這可能會(hui) 導致侵蝕、燃料被植入堆壁以及材料特性的改變。

　　在極端的溫度之上，我們(men) 還必須考慮到氘和氚的聚變反應的副產(chan) 品，如極高能量的中子。中子沒有電荷，所以不能被磁場控製。這意味著它們(men) 會(hui) 撞擊反應堆的牆壁，造成破壞。所有這些令人難以置信的複雜挑戰都促進了多年來材料的巨大進步。其中最引人注目的是高溫超導磁體(ti) ，它被各種不同的核聚變項目所使用。這些在低於(yu) 液氮沸點的溫度下表現為(wei) 超導體(ti) 。雖然這聽起來很冷，但與(yu) 其他超導體(ti) 所需的更冷的溫度相比，它是很高的。

　　在核聚變中，這些磁體(ti) 距離托卡馬克內(nei) 部的高溫僅(jin) 有數米之遙，形成了巨大的溫度梯度。這些磁體(ti) 有可能產(chan) 生比傳(chuan) 統超導體(ti) 強得多的磁場，這可以大大縮小核聚變反應堆的體(ti) 積，並可能加速商業(ye) 核聚變的發展。

　　目前發現的一些新材料是為(wei) 了應對我們(men) 在核聚變反應堆中拋出的各種粒子帶來的挑戰而設計的。目前最領先的是低活化鋼，它的成分與(yu) 傳(chuan) 統鋼不同，因此中子損傷(shang) 導致的活化程度降低，除此之外還有被運用得非常普遍的鎢金屬。

　　科學界最酷的事情之一是，最初被視為(wei) 潛在問題的東(dong) 西可以變成積極的東(dong) 西。核聚變也不例外，一個(ge) 非常小眾(zhong) 但值得注意的例子是鎢絨毛。鎢絨毛是在核聚變實驗中暴露在氦等離子體(ti) 中時在鎢上形成的一種納米結構。最初由於(yu) 擔心侵蝕而被認為(wei) 是一個(ge) 潛在的問題，現在已經開始研究非核聚變應用，包括太陽能水分裂--將其分解為(wei) 氫氣和氧氣。

　　然而，沒有任何材料是完美的，還有幾個(ge) 問題。這些問題包括大規模製造還原活化材料，以及鎢的內(nei) 在脆性，這使它的工作麵臨(lin) 挑戰。我們(men) 需要在現有的材料上進行改進和完善。

　　盡管核聚變材料領域取得了巨大的進步，但仍有很多工作要做。主要的問題是我們(men) 依靠幾個(ge) 代理實驗來重現潛在的反應堆條件，並且必須嚐試將這些數據拚接在一起，往往使用非常小的樣品。詳細的建模工作有助於(yu) 推斷材料性能的預測。如果我們(men) 能夠在真實情況下測試我們(men) 的材料，那就更好了。

　　COVID-19大流行對材料學研究產(chan) 生了重大影響，因為(wei) 進行真實的生活實驗更加困難。但繼續開發和使用先進的模型來預測材料性能真的很重要。這可以與(yu) 機器學習(xi) 的進步相結合，確定我們(men) 需要關(guan) 注的關(guan) 鍵實驗，並確定未來反應堆中的最佳材料。新材料的製造通常是小批量的，隻專(zhuan) 注於(yu) 生產(chan) 足夠的實驗材料。未來，將有更多的公司繼續致力於(yu) 核聚變領域研究，也會(hui) 有更多的項目致力於(yu) 實驗反應堆或原型。

　　正因為(wei) 如此，我們(men) 正到了需要更多地考慮產(chan) 業(ye) 化和發展供應鏈的階段。隨著我們(men) 越來越接近原型反應堆，並希望未來能有發電廠，發展強大的大規模供應鏈將是一個(ge) 巨大的挑戰。

　　作者為(wei) 曼徹斯特大學核聚變研究員Aneeqa Khan。

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