美國太平洋西北國家實驗室 (PNNL)、弗吉尼亞理工學院和州立大學(弗吉尼亞理工大學)的科學家們正在研究鎢重合金作為用于先進核聚變反應堆的可能材料。在聚變能被用作能源之前，有必要開發能夠承受聚變反應產生的高溫和輻照條件的先進核聚變反應堆。

鎢是所有元素中熔點最高的元素之一，但它也可能非常脆。將鎢與少量其他金屬(如鎳和鐵)混合，可以產生一種比單獨使用鎢更堅韌的合金，同時保持其高熔化溫度。此外，這些鎢重合金的熱機械處理可以改變抗拉強度和斷裂韌性等性能。

研究人員發現，一種特殊的熱軋技術在鎢重合金中產生了微觀結構，模仿了貝殼中珍珠母的結構，這種結構非常堅固。PNNL 和弗吉尼亞理工大學的團隊研究了這些仿珍珠層的鎢合金，用于潛在的核聚變應用。

最近發表在《科學報告》上的該研究論文的第一作者 Jacob Haag 說：“這是第一項在如此小的尺度上觀察這些材料表面的研究，通過這樣做，我們揭示了一些控制材料韌性和耐用性的基本機制。” 他補充說：“我們想了解為什么這些材料在金屬和合金領域表現出近乎前所未有的機械性能。”

為了更仔細地觀察合金的微觀結構，Haag 和他的團隊使用了先進的材料表征技術，例如掃描透射電子顯微鏡來觀察原子結構。他們還結合使用能量色散 X 射線光譜和原子探針斷層掃描繪制了材料界面的納米級組成。

他們發現，在珍珠質結構中，鎢重合金由兩個不同的相組成：幾乎純鎢的“硬”相和包含鎳、鐵和鎢混合物的“韌性”相。研究表明，鎢合金的高強度來自不同相之間的出色結合，包括緊密結合的“硬”相和“韌性”相。

PNNL 計算科學家兼該論文的合著者 Wahyu Setyawan 說：“雖然這兩個不同的相形成了堅硬的復合材料，但它們在制備用于表征的高質量標本方面構成了重大挑戰。我們的團隊成員在這方面做得非常出色，這使我們能夠揭示相間邊界的詳細結構以及跨越這些邊界的化學級配。”

Haag 說：“如果要將這些雙相合金用于核反應堆內部，則有必要對其進行優化以提高安全性和使用壽命。” 這些發現已經在 PNNL 和科學研究界得到進一步擴展。PNNL 正在進行多尺度材料建模研究，以優化結構、化學和測試不同材料表面的強度，并進行實驗研究以觀察這些材料在聚變反應堆的極端溫度和輻照條件下的行為。

“這是一個激動人心的聚變能源時代，白宮和私營部門重新對它產生了興趣。我們在尋找長期運行的材料解決方案方面所做的研究對于加速聚變反應堆的實現至關重要。” Setyawan 說。