金属合金は核融合エネルギーをサポートする可能性がある

PNNL

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ローレンス・リバモア国立研究所の研究者らは、2022年末に初めて核融合エネルギーの純利益が観測されたと発表した。この研究は、何百万もの家庭や企業に二酸化炭素を供給できる核融合エネルギーへの大きなマイルストーンである。中立的なエネルギー源。 しかし、この成果を実用的な原子力エネルギー源に転換するには、核融合発電社会を実現するための革新的な技術が必要です。

バージニア工科大学と州立大学、およびパシフィック・ノースウェスト国立研究所の科学者たちは、材料研究への取り組みを通じてこの目標の実現に取り組んでいます。 Scientific Reports に掲載された彼らの最近の研究には、タングステン合金の事例が含まれており、貝殻の構造を模倣することによって、この金属が先進的な核融合炉で使用できるようにどのように改良できるかを示しました。

研究の筆頭著者であるヤコブ・ハーグ氏は、これは、そのような材料界面をあまりにも小さな長さスケールで調べた最初の研究であると述べた。 同氏は、材料の靭性と耐久性を制御するいくつかの基本的なメカニズムも明らかにしたと付け加えた。

太陽の中心温度は華氏約 2,700 万度で、核融合によって動力を供給されています。 したがって、核融合反応が多量の熱を発生するという事実は理解できます。 科学者がこれらの反応のエネルギーを利用して動力に変える前に、核融合反応で生じる高温や照射条件に耐えることができる最新の核融合炉を開発する必要があります。

タングステンは、地球上で入手可能なすべての元素の中で最も高い融点を持っています。 このため、核融合炉に最適な材料の 1 つとなります。 ただし、この金属は脆い場合もあるため、他の金属と混合する可能性があります。 鉄やニッケルなどの他の金属と混合すると、タングステンよりも頑丈でありながら高融点特性を維持した合金を作成できます。

これらのタングステン合金に特性を与えるのは単に組成だけではなく、靱性と引張強度の向上につながる金属の熱機械処理です。

特殊な熱間圧延方法を使用して、貝殻に見られる真珠層、つまり真珠層に似た微細構造を持つタングステン高合金が製造されました。 真珠層は、その見事な虹色の色と驚くべき強度で珍重されています。 真珠層に近い重いタングステン合金は、核融合応用の可能性について PNNL とバージニア工科大学の研究チームによって研究されました。

Nネーリング/iStock

ハーグ氏によると、「私たちは、これらの材料が、金属や合金の分野では事実上前例のない機械的性能を備えている理由を知りたかったのです。」

合金の微細構造を調べるために、ハーグ氏と彼のチームは、走査型透過電子顕微鏡などの高度な技術を使用して合金の原子構造を分析しました。 さらに、アトムプローブ断層撮影法とエネルギー分散型X線分光法を組み合わせて、材料のナノスケール組成のマッピングにも取り組んだ。

重いタングステン合金は、真珠層のような構造内に共存する 2 つの別々の相で構成されています。1 つはほぼ純粋なタングステンである「硬質」相、もう 1 つはニッケル、鉄、タングステンの組み合わせで構成される「延性」相です。 研究結果は、タングステン重量合金の高強度の源として、密接に結合した「硬質」相と「延性」相を含む、異なる相間の優れた関連性を示しています。

PNNL の計算科学者であり、この研究の共著者である Wahyu Setyawan 氏によると、「2 つの異なる段階で丈夫な複合材料が生成されますが、特性評価用の高品質の試料を生成する際に大きな障害となります。これにより、正確な状態を明らかにすることができました。」私たちのチームメンバーの素晴らしい仕事のおかげで、界面境界の構造とこれらの境界を横切る化学的グラデーションが解明されました。」