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运行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。

延伸阅读

核聚变新趋势：减少中子

核聚变新趋势：减少中子，探索下一代无残留放射性核燃料的前景。

如今，为了应对全球对充足清洁电力的需求，人们对聚变能源的兴趣骤增。目前，至少有43家私营公司都在追求同样的目标：将两个原子核安全地熔合形成更重的原子核，同时释放能量。但是，聚变反应堆核心中的标准氘-氚（D-T）反应还是存在很大的长期性问题。

氘和氚都是氢同位素，会在较低的温度下熔合，比其他反应释放更多的能量。但它们也会产生超高通量的中子，需要强制采用复杂（但仍未完善的）安全壳技术，防止中子辐射破坏反应堆壁、辅助基础设施和附近的生物。

有一群特立独行的聚变研究人员正在致力于解决中子问题。他们的方法是把氘-氚燃料转换现成可用的元素，在熔合时释放出携带能量的带电粒子而非中子。这种非中子聚变方法的支持者认为，这种设备最终将更易于建造，更适合电力系统，因为它可以更容易地将带电粒子的能量转化为电能，而且很少或根本不产生放射性废料。

核工程师、威斯康星大学名誉教授杰拉尔德•库辛斯基（Gerald Kulcinski）说：“从20世纪60年代到80年代，人们在我们当时所说的‘先进燃料’方面做了很多工作。”他说，现在这项工作不受欢迎了，“因为产生这种反应的难度大约是氘-氚反应的10倍，在过去约10年里，人们开始越来越多地考虑先进燃料，因为中子对（反应堆的）第一壁造成的破坏很大。”

氢-硼

TAE技术公司的前身是TriAlpha Energy，拥有最成熟的自营非中子聚变项目。该公司的首席执行官米希尔•本德鲍尔（Michl Binderbauer）表示，该公司成立于1998年，目前资本约12.5亿美元。TAE的方法用氢和硼（一种被称为p-B11的混合物）作为其反应燃料。熔合后，氢-硼会释放出3个带正电的氦-4核，称为α粒子。

TAE的设计通过一种被称为场反置（FRC）的技术来限制等离子体，这种熔合的温度非常高，电子从原子中剥离，形成电离气体。在FRC中，等离子体主要被限制在自己的磁场中，而不是依赖外部施加的磁场。

TAE的圆柱直线形研究反应堆被称为Norman，其两端都有向内的电磁等离子炮，它将等离子环进入加速中心腔。在中心腔，等离子环熔合在一起，形成单一的圆柱形等离子体，由从侧面进入的中性原子束稳定。中性原子束用新鲜燃料加热等离子体。TAE的电厂设计会将热量沉积在安全壳壁上，并使用传统的热转换系统将其转换为蒸汽，驱动涡轮机。

“这是一头超级优雅的野兽。”本德鲍尔说，“在典型的磁约束设计中，磁体的成本占机器成本的60%左右。如果能充分利用等离子体本身的磁场，那么就会在经济上带来巨大的优势。”

不过，在过去，FRC一直被证明是难以驾驭的：如果等离子体发生问题，那么约束磁场也会崩溃，等离子体会冷却。过去十年里，本德鲍尔的团队一直在研究稳定等离子体的方法。近年来，该公司利用人工智能和机器学习的进步，开发了实时重塑和重定位等离子体的方法和硬件。

“我们现在实现了这种稳定性。”本德鲍尔说，“我们可以操纵这些等离子流并使其保持稳定。我们得到了极好的磁场，其表现与预测的完全一样。”

燃烧氢-硼燃料产生聚变能还有另一个明显的缺点，那就是，它需要超过30亿摄氏度的极端温度，是氘-氚反应所需温度的20倍或30倍。许多物理学家的传统观点是，在这样的温度下，电子辐射会非常大，导致等离子体的冷却速度比加热速度更快。

本德鲍尔反驳道，电子是等离子体能量的主要载体，但这些电子的温度受到相对论效应的钳制。“20世纪90年代以来，我们已经进行了非常复杂的工作，而且发表了一系列同行评审论文。也有其他人测量了相关设备，没有发现危及国家的灾难性辐射冷却。”

稀有同位素

已有十年历史的Helion Energy公司也计划在华盛顿州埃弗雷特自己建造的工厂中采用场反置技术，但主角不是氢-硼，而是氦-3和氘燃料循环。

氦-3极为罕见，仅占地球可用氦的0.0001%，而且其生产成本极高。人们最终有可能会在月球表面开采氦-3，估计月球表面的氦-3有110万吨。不过，Helion Energy公司并没有建造宇宙飞船，而是计划通过氘-氘副反应，在其设备中增殖氦-3。到目前为止，该公司虽然只生产了极少量的氦-3，但打算使用“高效封闭燃料循环专利”来提高氦-3的产量。

“D-氦-3可能是氘-氚和p-B11之间的临时替代品。”库辛斯基说，“因为反应需要的温度为数亿摄氏度，在氘-氚和p-B11之间。”

D-氦-3反应并不完全是非中子反应，它们只以快中子的形式释放约5%的能量。这不会完全消除辐射危害的复杂性，而会使其显著降低。

Helion公司的设备与TAE的一样，也是一个圆柱体，两端装有方向相反的等离子炮。该公司说，将不会持续地产生反应，而是这种机器的等离子枪每秒发出一次脉冲，在中心产生一个稳定的FRC，并用磁场压缩等离子体，直到其温度和密度达到聚变。能量释放时，等离子体朝外推动磁场，让系统能够通过磁线圈获取带电能量。

“这些都是处于边缘的创新。”核工程师兼投资者聚变顾问马修•J.莫伊尼汉（Matthew J.Moynihan）说，“要想达到发电厂所需的可行规模，无论是脉冲方法的频率提高，还是培育氦-3都将颇具挑战。”

要产生脉冲，Helion公司的设备将依赖大量的电容器，这些电容器将存储50兆焦耳的巨大能量并在1毫秒钟内完成放电，一遍又一遍地重复这个过程。

尽管这一技术存在障碍和其他困难，但Helion公司还是为发电厂物色了第一个客户，并表示该发电厂将于2028年投产。最近，该公司与微软达成了一项协议，在经过一年的试产后，将提供至少50兆瓦电功率，足够一家工厂或一个数据中心使用。

聚变能源界的许多人都认为这是一种宣传噱头，或者是尚未从其反应中获得净能源收益的公司过于乐观。不过近年来，无论有没有中子，在这个正在竞相解决气候危机的行业，乐观情绪都在增多。

作者：Tom Clynes

文章来源： 科技日报、悦智网Tom Clynes