輻射損傷使金屬熔點不如以往,科學家找出核融合失敗重要之因

發佈日期: 2019 年 06 月 06 日 18:00 | 作者: | 分類: 產業資訊

如果要進行核融合反應,我們需要將反應爐溫度提高到 1 億 °C 以上,顯然所使用的材料跟設備都需要具備一定耐熱度,不過最近美國科學家發現,受到粒子輻射影響,核融合設備重要金屬鎢的熔點下降,造成材料失效,導致核融合反應失敗。

核融合做為備受看好的未來能源,科學家一直以來想要設計既安全又能順利商轉的核融合技術,若研發成功,核融合設備就能提供龐大的無碳電力,安全事故風險與放射性廢棄物產量也比現有的核分裂技術還要低。

不過打造核融合極為困難,研究花費也難以想像,假如反應爐失控發生電漿破裂,電漿會快速釋放能量並破壞核融合裝置,使內壁蒸發或是熔化,失控的高能量電子束也會導致設備局部受損,重新設計與打造設備都是一筆龐大支出。

因此為了模擬核融合反應爐材料能承受多大的「痛苦」,美國 SLAC 國家加速器實驗室利用世界數一數二快的電子攝影機:超快電子繞射(Ultrafast Electron Diffraction,MeV-UED)來紀錄核融合反應爐中,重要金屬鎢的超快瞬間變化。

說快到底有多快?MeV-UED 大概可以拍下 100 飛秒(10-15 )以內的原子核和電子的運動,MeV-UED 發射脈衝電子束(pulsed electron beams)後,高能量電子會穿過並散射材料中的原子核和電子,並在探測器上產生繞射圖,最終科學家得以重建材料結構中的超快運動。

MeV-UED 設備是美國 SLAC 國家加速器實驗室直線型加速器同調光源(Linac Coherent Light Source,LCLS)的一部分,主要用來研究化學與固態系統的時間解析(time-resolved)以及超快原子、分子動力學。

研究團隊首先用高能雷射加熱鎢,之後再用 MeV-UED 紀錄鎢的變化,最終發現,鎢的熔點已不如以往。就如同首圖顯示,金屬鎢原子結構從左圖的有序固態狀態,在加熱短短 5 皮秒(10-12)內轉變成右圖,其中藍色點代表混亂與液化狀態,綠色則是介於固態與液態之間,受到輻射損傷的影響,金屬鎢已快速熔化,完全看不出其熔點高達 3,422 °C。

科學家表示,這項研究將有助於改良核融合反應爐材料,像是要如何緩解輻射損傷等等,除此之外,他們也認為進一步提高 LCLS 設備的性能相當重要,這樣一來就能更加瞭解材料在極端條件下的變化。目前研究已發表在《Science Advances》。

(合作媒體:科技新報。首圖來源:SLAC 國家加速器實驗室

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