普林斯頓大學(xué)高級(jí)論文項(xiàng)目在尋求聚變能方面產(chǎn)生重大影響

在工程師建造反應(yīng)堆以通過聚變發(fā)電之前，他們必須讓反應(yīng)堆的壁能夠承受反應(yīng)產(chǎn)生的熱量和高能粒子。這是一個(gè)地獄般的環(huán)境，需要非常特殊的材料。

“這是一個(gè)非常重要、非常困難的問題，”普林斯頓化學(xué)和生物工程教授布魯斯·科爾說。

Koel在普林斯頓大學(xué)和普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室(PPPL)進(jìn)行研究，他花了數(shù)十年時(shí)間研究材料表面。最近，他一直在研究聚變能所需的材料科學(xué)。去年，他要求他的一名本科生葉梅根(MeaganYeh)研究一種新方法，她將這項(xiàng)工作作為她畢業(yè)論文項(xiàng)目的一部分。

該方法涉及使用一種特殊類型的金屬鎢。Yeh主修化學(xué)和生物工程，去年夏天在PPPL工作，PPPL是普林斯頓大學(xué)運(yùn)營的美國能源部實(shí)驗(yàn)室，與Koel和實(shí)驗(yàn)室等離子體科學(xué)與技術(shù)項(xiàng)目主任SamuelCohen一起工作。

Koel和一位同事提議的研究需要改造實(shí)驗(yàn)室儀器，用等離子束轟擊鎢樣品，然后分析結(jié)果。紐約州立大學(xué)石溪分校材料科學(xué)與工程助理教授JasonTrelewicz提供了用于研究的一角硬幣大小的“納米顆粒”鎢樣品。

來自芝加哥的Yeh說她立即感興趣。該材料是一種稀有的鎢配方，具有良好的性能。她說，這個(gè)提議“令人興奮”。“這很有挑戰(zhàn)性。這令人生畏。”

Koel讓Yeh與博士后研究員LuxhertaBuzi一起參與該項(xiàng)目。Buzi在德國Jülich研究中心攻讀博士學(xué)位期間積累了鎢方面的專業(yè)知識(shí)。

“該項(xiàng)目懸而未決，我們認(rèn)為這對(duì)Meagan來說是理想的選擇，”Buzi說，并補(bǔ)充說Yeh的貢獻(xiàn)將使項(xiàng)目向前推進(jìn)的速度比沒有她的情況下研究團(tuán)隊(duì)的進(jìn)展速度要快得多。

在核聚變中，當(dāng)兩個(gè)輕原子(例如氫同位素)聚變形成一個(gè)稍重的原子(例如氦)時(shí)，會(huì)釋放出巨大的能量。聚變可能比核裂變更安全、更可持續(xù)，核裂變?nèi)缃裼糜诤四埽婕皩⑩櫟戎卦臃至殉筛p但具有高放射性的原子。一種被提議的建造聚變工廠的方法涉及在被限制在磁場(chǎng)中的過熱等離子體中的聚變反應(yīng)。等離子體是一種電離氣體，這意味著它由帶正電的離子和帶負(fù)電的電子組成。

在能夠建立商業(yè)聚變工廠之前，工程師必須克服許多挑戰(zhàn)。首先，他們必須創(chuàng)建反應(yīng)堆的一部分，以承受反應(yīng)產(chǎn)生的高溫和粒子轟擊。為了制造這個(gè)稱為偏濾器的部分，工程師必須開發(fā)一種足夠堅(jiān)韌的材料來承受懲罰。

用于剃須刀刀片和高性能渦輪機(jī)的鎢似乎是用于面向等離子體的偏濾器部件的有前途的候選材料。鎢極其堅(jiān)硬和致密，是所有元素中熔點(diǎn)最高的。該材料的性能必須近乎完美;即使進(jìn)入等離子體的微量腐蝕材料也會(huì)阻礙內(nèi)部發(fā)生的聚變。

“一個(gè)解決方案是用非常難熔且堅(jiān)固的材料制造偏濾器——用鎢制造它，”Koel說。“但是鎢有幾個(gè)問題。”

一個(gè)重大問題涉及粒子——氫同位素和氦——它們來自聚變反應(yīng)?？茖W(xué)家通過將等離子體限制在強(qiáng)磁場(chǎng)中然后將其加熱至高溫來產(chǎn)生這些反應(yīng)。這些場(chǎng)能有效地保持等離子體，但許多粒子會(huì)逸出，撞擊反應(yīng)器的壁并被困在材料內(nèi)部。對(duì)于偏濾器來說尤其如此。

“它們會(huì)產(chǎn)生裂縫和水泡，”葉說。最終，鎢失效了。

研究人員想知道他們的特殊鎢樣品是否可以提供解決方案。所有的鎢都是由微小的晶體組成的，這些晶體之間的邊界被稱為晶界。在納米顆粒鎢中，晶體比標(biāo)準(zhǔn)多晶材料小得多，因此有更多的晶界。研究人員認(rèn)為，這些邊界可以為粒子在積聚并對(duì)鎢造成進(jìn)一步損害之前逃逸創(chuàng)造一條途徑。為了測(cè)試這一點(diǎn)，他們計(jì)劃在不同的表面溫度下用氘和氦等離子體照射鎢，模擬聚變反應(yīng)堆中的條件，看看納米顆粒是否有助于減輕被困粒子的影響。

Buzi建議團(tuán)隊(duì)在加州大學(xué)圣地亞哥分校進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，她曾在那里攻讀博士學(xué)位。他們的線性等離子設(shè)備稱為PISCES-A，如果可用的話，將提供特別準(zhǔn)確的模擬。

Buzi給她的一位前同事RussDoerner打了電話。“他告訴我，他們有幾個(gè)星期的時(shí)間，然后才真正忙于召開會(huì)議，”Buzi說。“幸運(yùn)的是，那是普林斯頓大學(xué)的寒假。”

“納米晶鎢和鎢鈦合金材料的氘和氦離子輻照;普林斯頓大學(xué);MeaganYeh，2018年”

帶著一種成就感，小葉拍下了這張裝訂好的畢業(yè)論文照片，發(fā)給了朋友們。

梅根·葉攝

Doerner說他們可以在設(shè)備上使用兩周。工作雙班制，他們能夠在一周內(nèi)完成?？焖俚墓ぷ鳛檠芯咳藛T提供了進(jìn)行更多測(cè)試的機(jī)會(huì)。接下來的一周，他們?cè)谡婵帐抑袑悠芳訜岬?000攝氏度，并測(cè)量了鎢中氘和氦的含量。

“非常成功，機(jī)器運(yùn)行良好，一切都按計(jì)劃進(jìn)行，”Buzi說。

這對(duì)搭檔還有一項(xiàng)艱巨的工作要做：回到普林斯頓后，他們需要分析樣本，樣本的規(guī)模太小，無法用傳統(tǒng)顯微鏡觀察。普林斯頓材料科學(xué)技術(shù)研究所(PRISM)是他們的下一站。

“沒有多少地方可以找到他們?cè)赑RISM擁有的設(shè)備類型或?qū)＜遥?rdquo;??Yeh說。

高級(jí)研究員Yao-WenYeh幫助準(zhǔn)備了樣品，其中一些樣品被切成不到100納米厚(比一張紙薄一千倍)。然后，MeaganYeh使用掃描電子顯微鏡檢查樣品是否有損壞，而Yao-WenYeh使用透射電子顯微鏡進(jìn)行檢查。

研究人員對(duì)結(jié)果感到滿意。Koel表示，他預(yù)計(jì)他們最終會(huì)發(fā)表期刊文章，其中MeaganYeh將成為合著者。

“它們是聚變應(yīng)用的重要結(jié)果，”他說。“他們?yōu)楦嗟难芯看蜷_了大門。”

畢業(yè)后計(jì)劃在卡夫亨氏從事研發(fā)工作的Yeh說，這篇論文是她在普林斯頓度過的難忘時(shí)光。

“完成后，我拍了一張封面照片發(fā)給了我的朋友，