激光网3月14日消息，在追求清洁和无穷无尽的能源的过程中，核聚变是一个很有前途的前沿。但是在聚变反应堆中，科学家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，事情可能会变得非常热。为了克服这个问题，研究人员一直在深入研究热管理科学，专注于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强调了钨在显著改进聚变反应堆技术方面的潜力，这是基于其导热能力的新发现。这一进展可以加速开发更高效、更有弹性的聚变反应堆材料。他们的研究结果今天发表在《科学进展》上。
“令我们兴奋的是，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Siegfried Glenzer说。“我们的工作展示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。
钨不仅仅是任何金属。它很坚固，可以承受令人难以置信的高温，并且不会像其他金属那样被热浪翘曲或削弱。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热条件下所需要的。钨及其合金的快速热负荷也存在于许多航空航天应用中，例如火箭发动机喷嘴、隔热罩和涡轮叶片涂层。
了解钨如何与热量一起工作，为如何为聚变反应堆制造新材料提供了线索，这些材料在压力下保持冷却方面做得更好。在这项新研究中，科学家们开发了一种新方法来仔细研究钨如何在原子水平上管理热量。
研究小组着手探索声子散射现象，这是固体材料内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，声子对金属热传输的贡献被低估了，而更多地强调电子的作用。通过建模和最先进的实验技术的结合，研究团队阐明了钨中声子的行为。
在SLAC的高速“电子相机”MeV-UED上，研究人员使用一种称为超快电子漫散射的技术探测了这种材料，这使得该团队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以激发钨中的电子，然后观察这些激发的电子如何与声子相互作用。UEDS技术捕获了声子上电子的散射，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使研究人员能够区分电子-声子和声子-声子散射对热传输的贡献。这种差异是理解在聚变反应堆恶劣条件下的材料中热管理的复杂工作原理的关键。
“挑战在于区分声子和电子在热传输中的贡献，”领导这项研究的SLAC科学家Mianzhen Mo说。“我们的论文介绍了一种最先进的技术来解决这些贡献，揭示了能量如何在材料中分配。这种技术使我们能够精确测量钨中电子和声子之间的相互作用，为我们提供了以前遥不可及的见解。
研究结果表明，在钨中，声子本身之间的相互作用比预期的要弱得多。这种微弱的声子-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。
“我们的研究结果对于为聚变反应堆设计新的，更坚固的材料特别相关，”劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家Alfredo Correa说。“这种精确的实验为我们在这项工作中采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以及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。
在这项研究之后，该团队计划调查杂质对钨处理热量的能力的影响。氦气积累是聚变中子诱导的材料嬗变的产物，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，”Mo说。“这对于提高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础建模和开发能够承受聚变反应堆严格要求的材料至关重要。这不仅可以为聚变反应堆提供更好的材料，还可以为其他热管理至关重要的领域提供更好的材料，从航空航天到汽车工业再到电子行业。
“这项研究不仅仅是关于改进聚变反应堆的材料;这是关于利用我们对声子动力学的理解来彻底改变我们在各种应用中管理热量的方式，“Glenzer说。“我们不仅增强了对材料在极端条件下行为的理解;我们正在为清洁、可持续的聚变能源可能成为现实的未来奠定基础。
