近日，美国密歇根大学宣布将于2025年在美国能源部（DOE）的两大计划下启动五项新型聚变材料研究项目。这些项目将由副教授Kevin Field领导，旨在利用先级的离子辐照技术和表征解决聚变材料面临的各项挑战。
项目由密歇根大学核工程与放射科学系（Nuclear Engineering and Radiological Sciences，NERS）以及密歇根离子束实验室（Michigan Ion Beam Laboratory，MIBL）承担。科研团队将会在MIBL实验室利用先进离子辐照技术，开展双束和三束离子辐照实验。这种前沿方法能有效模拟聚变环境中材料损伤和元素嬗变现象，重现聚变能源系统预期的高能中子相互作用。MIBL团队成员Charlie Hirst正在调试原位离子辐照蠕变装置，用于研究应力与辐照对先进核裂变及聚变系统结构材料性能退化的影响。
Kevin Field表示：“密歇根离子束实验室的能力对推动聚变能源材料的理解和研发至关重要。我们的工作基于密歇根大学多年的开创性研究，对应对聚变反应堆极端环境下的挑战具有关键意义。”
一、研究项目
在这五个项目中，有四项隶属于美国能源部高级研究计划署（ARPA-E）的“CHADWICK”计划（旨在开发耐用的聚变第一壁材料），另一项隶属于聚变能源科学（FES）计划的“FIRE”聚变创新研究引擎合作项目。具体包括：
面向长脉冲托卡马克运行的纳米晶钨合金等离子体面材料：与约翰霍普金斯大学合作，专注于强化核环境下纳米晶钨材料的性能。
纳米颗粒强化铁素体与钒基聚变合金（FAVA-NSF）：将与太平洋西北国家实验室（PNNL）合作开发新型耐用的钒基合金，爱荷华州立大学也将参与。
新型高温钨基材料开发：与艾姆斯国家实验室合作，研发适用于聚变反应堆的高温钨基材料。
紧凑托卡马克容器多层材料协同优化：与Commonwealth Fusion Systems合作，优化聚变电厂钨/钒基合金的制造工艺。
FIRE计划-加速聚变腔体技术的集成材料计划（IMPACT）：由田纳西大学诺克斯维尔分校主导，目标是为聚变系统设计和测试包括先进钢在内的新型结构材料。
这些新项目建立在NERS与MIBL现有聚变材料研究基础上，例如Kevin Field主导的“DOE聚变能源科学早期职业奖”项目（研究氦嬗变对聚变钢析出相稳定性的影响），以及MIBL名誉教授Gary Was领导的氦/氢对聚变钢肿胀特性的研究。此外，还包括Gary Was与Commonwealth Fusion Systems合作开发聚变材料加速辐照测试技术。
MIBL的成就离不开其创始Gary Was的远见。在41年的职业生涯中，他主导了实验室的三台离子加速器和关键分析设备的建设，并在2010年代重组实验室，使其成为聚变与裂变能源研究的全球前沿平台。他指出：“随着约50家核聚变初创公司推动商业化进程，MIBL正为聚变材料的选择与行为研究提供关键支持。”
NERS副教授Carolyn Kuranz评价称：“理解材料在极端条件下的行为是开发聚变反应堆的核心。教授与MIBL完全具备应对这一挑战性研究的能力。”
二、密歇根大学在核聚变领域的优势
密歇根大学在核聚变领域尤其在抗辐照材料开发、极端环境模拟和测试方面具备突出优势。具体表现在：
在纳米晶钨基合金开发上，
通过纳米晶粒细化（晶粒尺寸<100nm）和稀土氧化物（如La₂O₃、Y₂O₃）掺杂，显著提升钨的抗中子辐照能力。实验表明，纳米晶钨在20dpa（辐照损伤剂量）下的肿胀率比传统钨降低70%，抗热疲劳性能提升3倍。目前已被选为Commonwealth Fusion Systems（CFS）SPARC托卡马克第一壁候选材料，并纳入ITER候选材料库。
全球首创开发了可同时进行氦+氢+自离子（如钨离子） 三束辐照的系统，精确模拟聚变中子环境的复合损伤效应（嬗变+离位损伤），将传统中子辐照测试周期从数十年缩短至数周，支持商业聚变公司快速进行材料筛选。
除此之外，密歇根大学在等离子体研究方面也颇有建树，涵盖了高级加速器和激光器、Z箍缩、磁和惯性约束聚变、辐射产生、等离子体推进器、材料加工、低温等离子体和应用相关领域。
三、CHADWICK与FIRE计划
CHADWICK、FIRE都是美国能源部（DOE）为推动聚变能源商业化而设立的重要计划。前者专注于开发能够承受聚变反应堆极端环境的先进材料，而后者侧重于通过多机构合作推动聚变能源的整体技术发展。
CHADWICK，全称是Creating Hardened And Durable fusion first Wall Incorporating Centralized Knowledge，即通过计算与实验知识开发强韧耐久的聚变第一壁材料，目标是解决聚变反应堆“第一壁”（直接面对高温等离子体的材料界面）的抗辐照损伤和热负荷耐受性问题，延长材料寿命，推动聚变商业化。
FIRE，全称是Fusion Innovation Research Engine，即聚变创新研究引擎计划，致力于建立聚变材料的全生命周期研究框架，从材料设计、辐照测试到反应堆集成，加速聚变堆工程化。
两个项目共同为实现美国“商业聚变能源十年宏伟愿景”提供重要支持。
参考链接：
- https://ners.engin.umich.edu/2025/02/14/ners-and-mibl-launch-new-fusion-materials-programs/
- https://ners.engin.umich.edu/research/plasmas/