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为解决核聚变反应堆面向等离子体部件（PFCs）材料难题，研究人员开展超高温陶瓷（UHTCs）作为 PFCs 材料的研究。发现 UHTCs 有优势，但对其受中子辐照和等离子体暴露影响了解不足。这为 UHTCs 在核聚变应用研发提供方向。
在能源探索的征程中，核聚变能源一直是科学界梦寐以求的 “圣杯”。它有望为人类提供近乎无尽、清洁且安全的能源，彻底改写能源格局。然而，实现核聚变能源的商业化应用困难重重，其中材料问题堪称 “拦路虎”。核聚变反应堆的面向等离子体部件（Plasma-facing Components，PFCs）工作环境极端恶劣，要承受高温（500 - 1000°C 以上）、强热通量（约 10 MW/m2）、高剂量的轻离子（如氢（H）和氦（He），通量大于 102? ions/m2 - s）轰击，还要经受中子辐照，这些因素导致材料表面严重溅射、起泡，性能不断退化 。目前，尚无一种面向等离子体材料（Plasma-facing Materials，PFMs）能完美应对这些挑战。
在此背景下，美国相关研究机构（UT - Battelle, LLC 和 University of Tennessee）的研究人员将目光投向了超高温陶瓷（Ultra-high temperature ceramics，UHTCs）。UHTCs 通常指熔点超过 3000°C 的陶瓷，其具有高熔点、可调节的热导率以及出色的未辐照机械性能，断裂韧性与钨相当甚至更优，在高温应用领域极具潜力。研究人员对 UHTCs 在核聚变 PFCs 应用方面展开了深入探索。研究成果对推动核聚变能源发展意义重大，若 UHTCs 能成功应用于核聚变反应堆，将为核聚变能源商业化提供关键材料支撑，助力能源领域的重大变革，相关论文发表在《Current Opinion in Solid State and Materials Science》 。
研究人员在研究过程中，主要采用了多种材料性能测试技术以及微观结构分析技术。通过对不同条件下 UHTCs 的样本进行处理，运用材料性能测试技术获取其热导率、热冲击抗性、力学性能等数据；利用微观结构分析技术观察中子辐照和等离子体暴露后 UHTCs 微观结构的变化，以此深入研究 UHTCs 在核聚变环境下的性能表现。
近期 UHTCs 加工和开发进展
在 UHTCs 加工和开发方面，此前的研究主要面向航空航天应用，致力于通过先进加工技术提高材料热导率，增强散热能力，并利用复合增韧机制提升材料韧性。目前，先进的过渡金属碳化物、氮化物和硼化物在极端环境（2000°C 以上高温、高热通量等）的航空航天领域得到了积极开发和研究 。这些成果为 UHTCs 在核聚变领域的应用提供了一定的技术基础和借鉴经验，让研究人员看到了 UHTCs 在类似极端环境下应用的潜力。
核嬗变
核聚变和核裂变反应堆中的中子能谱差异显著。在氘 - 氚（DT）核聚变中，峰值中子能量约 14 MeV，远超热中子（约 0.02 eV）和裂变中子（约 0.7 MeV）能量。这种高能中子会导致每次中子碰撞产生的位移损伤比裂变中子更多，而且由于许多元素的阈值核反应，还可能引发不同的核嬗变率。这意味着在核聚变环境下，UHTCs 的性能会受到核嬗变的复杂影响，研究人员必须谨慎评估这一因素对 UHTCs 在核聚变反应堆中应用的影响 。
等离子体 - 表面相互作用
除了中子辐照的影响，等离子体粒子溅射以及 H/He 注入导致的表面形貌变化也是 PFMs 面临的关键挑战。在核聚变等离子体附近，材料表面持续受到高能等离子体粒子的轰击，这种轰击会显著改变材料表面状态。等离子体粒子不仅会沉积热量、参与燃料（H、氘（D）和氚（T））的循环，还会导致材料溅射，进而影响材料性能和使用寿命。对于 UHTCs 而言，深入研究这种等离子体 - 表面相互作用对其在核聚变反应堆中的应用至关重要 。
UHTCs 在 PFC 应用中的潜在研发路径
对于任何候选的 PFCs 材料，明确其工作温度和剂量窗口十分关键，这有助于减少材料降解，确保反应堆安全运行。研究人员总结出在选择 PFCs 材料时需要考虑众多因素。针对 UHTCs，提出了五条关键研究路径：评估辐照对其热 - 机械耦合性能的影响；填补辐照、等离子体暴露及其协同效应研究的空白；研究高温（>1000°C）中子辐照对 UHTCs 性能的关键影响；优化多组分 UHTCs 成分或复合材料，改善其热性能或机械性能；通过减小晶粒尺寸、引入细颗粒以及利用复杂集中合金概念等策略提高 UHTCs 的抗辐射能力，减轻微裂纹和空洞肿胀 。
研究表明，UHTCs 作为核聚变反应堆 PFCs 材料具有显著优势，如在高温下具备出色的材料性能、潜在的高工作温度窗口、成分灵活性以及可调节的热机械性能。然而，目前对 UHTCs 受中子辐照和核聚变等离子体暴露后的性能变化了解有限，且不同类型的 UHTCs 都存在已知或潜在的缺点。
该研究为 UHTCs 在核聚变领域的研究和开发提供了重要的基础指导，明确了未来研究的重点方向。通过深入研究上述关键问题，有望进一步优化 UHTCs 性能，克服现有挑战，推动其在核聚变反应堆 PFCs、包层和结构部件中的实际应用，为实现核聚变能源商业化奠定坚实的材料基础，在核聚变能源发展进程中具有里程碑式的意义。
