2024-04-16 08:42 来源：本站编辑
在追求清洁和无穷无尽的能源的过程中，核聚变是一个有前途的前沿领域。但在聚变反应堆中，科学家们试图通过将原子融合在一起来制造能量，模仿太阳的发电过程，物质会变得非常热。为了克服这个问题，研究人员一直在深入研究热管理科学，重点研究一种叫做钨的特殊金属。
由美国能源部SLAC国家加速器实验室的科学家领导的一项新研究，基于钨的导热能力的新发现，强调了钨在显著改善聚变反应堆技术方面的潜力。这一进步可能会加速开发更高效、更有弹性的聚变反应堆材料。他们的研究结果发表在今天的《科学进展》杂志上。
“让我们兴奋的是，我们的发现有可能影响用于聚变和其他能源应用的人造材料的设计，”SLAC高能量密度部门主任、合作者Siegfried Glenzer说。“我们的工作证明了在原子尺度上探测材料的能力，为进一步的研究和开发提供了有价值的数据。”
钨不是一种普通的金属。它很坚固，可以承受极高的温度，而且不会像其他金属那样被热浪扭曲或削弱。这使得它在快速有效地传导热量方面特别有效，这正是聚变反应堆的超高温条件所需要的。钨及其合金的快速热负荷也在许多航空航天应用中发现，例如火箭发动机喷嘴，隔热罩和涡轮叶片涂层。
了解钨如何与热一起工作，可以为如何制造聚变反应堆的新材料提供线索，这些材料甚至可以更好地在压力下保持冷却。在这项新的研究中，科学家们开发了一种新的方法来仔细研究钨是如何在原子水平上管理热量的。
研究小组开始探索声子散射现象，这是固体材料内部晶格振动相互作用的过程，在材料的导热能力中起着关键作用。传统上，声子对金属热输运的贡献被低估了，更强调电子的作用。通过建模和最先进的实验技术的结合，研究小组揭示了钨声子的行为。
在SLAC的高速“电子相机”MeV-UED上，研究人员用一种称为超快电子漫射散射(UEDS)的技术探测了这种材料，这种技术使研究小组能够以前所未有的精度观察和测量电子和声子之间的相互作用。这种方法包括发射激光来激发钨中的电子，然后观察这些被激发的电子如何与声子相互作用。UEDS技术捕获了声子的电子散射，使研究人员能够以令人难以置信的精度实时观察这些相互作用。
UEDS允许研究人员区分电子-声子散射和声子-声子散射对热输运的贡献。这种区别是理解在聚变反应堆恶劣条件下材料热管理复杂工作的关键。
“挑战在于区分声子和电子在热传输中的贡献，”SLAC科学家、该研究的负责人莫绵贞说。“我们的论文介绍了一种最先进的技术，可以解决这些贡献，揭示能量如何在材料中分布。这项技术使我们能够精确地测量钨中电子和声子之间的相互作用，为我们提供了以前无法达到的见解。”
研究结果表明，在钨中，声子之间的相互作用比预期的要弱得多。这种弱声子-声子相互作用意味着钨可以比以前认为的更有效地传导热量。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家、合作者阿尔弗雷多·科雷亚(Alfredo Correa)说:“我们的发现与设计新的、更坚固的聚变反应堆材料特别相关。”“如此精确的实验为我们在这项工作中使用的新模拟技术提供了极好的验证，该技术用于描述热传递和原子和电子的微观运动，使我们能够预测材料在极端环境下的行为。”
在这项研究的基础上，研究小组计划调查杂质(如氦)对钨处理热量能力的影响。氦的积累是材料中核聚变中子诱导嬗变的产物，会影响材料的性能和寿命。
“我们研究的下一阶段将探索氦和其他杂质如何影响钨的导热能力，”莫说。“这对提高核聚变反应堆材料的寿命和效率至关重要。”
了解这些相互作用对于验证基本模型和开发能够承受聚变反应堆长期严格要求的材料至关重要。这可能会带来更好的材料，不仅适用于聚变反应堆，也适用于从航空航天到汽车工业再到电子等其他热管理至关重要的领域。
“这项研究不仅仅是为了改进聚变反应堆的材料;它是利用我们对声子动力学的理解来彻底改变我们在广泛应用中管理热量的方式，”Glenzer说。“我们不仅加深了对极端条件下材料行为的理解;我们正在为未来奠定基础，在未来，清洁、可持续的核聚变能源可能成为现实。”
