近年来，核聚变作为追求天然和清洁能源的重要前沿领域，正在成为新能源探索的热点。科学家们在核聚变反应装置中模拟太阳的能量释放过程，通过原子融合产生巨大能量。然而，这一放热过程需要极高温度，因此研究人员一直在深入研究热管理科学，并发现了钨的特殊合金材料具有卓越潜力。
美国能源部SLAC国家加速器实验室的科研团队的最新研究揭示了钨在热传导性能上的优异表现，这一发现可能显著推进核聚变反应堆技术的发展。研究成果已发表在《Science Advances》期刊上。
SLAC高能量密度部门主任Siegfried Glenzer表示，他们发现了可能对核聚变和其他能源应用产生影响的人造材料，这为进一步研究和开发提供了宝贵数据。
钨的稳定性
钨不是一种普通的金属。它非常坚固，能够承受极高的温度，并且不像其他金属那样容易在热浪中变形或变弱。这使得它在快速有效地传导热量方面特别有效，这正是超高温的核聚变反应堆所需要的。钨及其合金的快速热负荷也在许多航天应用中发现，如火箭发动机喷嘴、热防护罩和涡轮叶片涂层。
理解钨与热能的相互作用，有助于我们开发更好的聚变反应堆材料，这些材料在压力下能保持稳定。新研究中，科学家们开发了一种新方法，密切观察钨在原子层面上如何管理热量。
声子散射现象
研究团队深入探究了声子散射现象——即固体材料内部晶格振动的相互作用，这是决定材料导热性能的关键因素。以往，金属中声子对热传递的贡献常被低估，而电子作用受到更多关注。本研究通过模型构建和尖端实验技术，清晰揭示了钨中声子的行为。
钨中电子-声子相互作用
在SLAC的高速“电子相机”MeV-UED上，研究人员使用了超快电子漫散射（UEDS）技术来探测材料，以前所未有的精确度观察和测量电子和声子之间的相互作用。这种方法通过激光激发钨中的电子，然后观察这些激发的电子如何与声子相互作用。UEDS技术捕捉到电子从声子散射的过程，使研究人员能够实时精确观察这些相互作用。
UEDS使研究人员能够区分电子-声子散射和声子-声子散射对热传输的贡献，这对于理解在核聚变反应堆恶劣条件下材料热管理至关重要。
SLAC科学家Mianzhen Mo表示，挑战在于区分热传输中声子和电子的贡献。他们的研究介绍了一种尖端技术，揭示了材料内部能量分布，使他们能够精确测量钨中电子和声子之间的相互作用，提供了前所未有的见解。
研究结果表明，在钨中，声子自身之间的相互作用远比预期的要弱，意味着钨的导热效率比以前认为的要高。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家Alfredo Correa表示，这些发现对于设计新型坚固的聚变反应堆材料特别相关，为新模拟技术提供了验证，描述了热传输和原子及电子的微观运动，使他们能够预测材料在极端环境下的行为。
热量处理
基于这项研究，团队计划调查杂质（如氦）对钨处理热量能力的影响，这对于提高核聚变反应堆材料的寿命和效率至关重要。
这项研究有助于验证基本建模，开发能够长时间承受核聚变反应堆严格要求的材料，可能对核聚变反应堆以及其他需要管理热量的关键领域，如航天、汽车工业和电子行业，都有重要意义。
Glenzer表示，这项研究不仅旨在改进核聚变反应堆材料，而是利用对声子动力学的理解，彻底改变我们在广泛应用中管理热量的方式，为清洁、可持续的聚变能源可能成为现实的未来奠定基础。