금속 합금은 핵융합 에너지를 지원할 수 있습니다

PNNL

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로렌스 리버모어 국립연구소(Lawrence Livermore National Laboratory) 연구원들은 2022년 말 처음으로 핵융합 에너지의 순증가를 관찰했다고 발표했습니다. 이 연구는 탄소 배출을 통해 수백만 가정과 기업에 전력을 공급할 수 있는 핵융합 에너지를 향한 거대한 이정표입니다. 중립 에너지 원. 그러나 이러한 성과를 실용적인 원자력 에너지원으로 전환하려면 핵융합 사회를 실현하기 위한 혁신적인 기술이 필요합니다.

버지니아 폴리테크닉 연구소(Virginia Polytechnic Institute)와 주립대학교, 퍼시픽 노스웨스트 국립연구소(Pacific Northwest National Laboratory)의 과학자들은 재료 연구에 대한 노력을 통해 이 목표를 현실화하기 위해 노력하고 있습니다. 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 발표된 그들의 최근 연구에는 텅스텐 합금의 사례가 포함되어 있으며 조개의 구조를 복사하여 고급 핵융합로에 사용하기 위해 금속을 개선할 수 있는 방법을 보여주었습니다.

이번 연구의 첫 번째 저자인 Jacob Haag는 이것이 너무 작은 길이 규모의 재료 인터페이스에 대한 첫 번째 연구라고 말했습니다. 그는 또한 재료의 인성과 내구성을 좌우하는 몇 가지 기본 메커니즘을 밝혀냈다고 덧붙였습니다.

태양의 중심 온도는 화씨 약 2,700만 도이며 핵융합에 의해 구동됩니다. 따라서 핵융합 반응이 많은 열을 발생시킨다는 사실은 이해할 수 있습니다. 과학자들이 이러한 반응의 에너지를 활용하고 이를 전력으로 전환하려면 먼저 핵융합 반응에서 발생하는 고온 및 조사 조건을 견딜 수 있는 첨단 핵융합로를 개발해야 합니다.

텅스텐은 지구상에서 사용할 수 있는 모든 원소 중에서 녹는점이 가장 높습니다. 이는 핵융합로에 가장 적합한 재료 중 하나입니다. 그러나 금속은 부서지기 쉬우므로 다른 금속과 섞일 수도 있습니다. 철이나 니켈과 같은 다른 금속과 혼합하면 텅스텐보다 더 강하면서도 높은 용융 특성을 유지하는 합금을 만드는 데 도움이 됩니다.

이러한 텅스텐 합금의 특성을 제공하는 것은 단지 조성이 아니라 인성과 인장 강도를 향상시키는 금속의 열-기계적 처리입니다.

특정 열간 압연 방법을 사용하여 조개 껍질에서 발견되는 진주층과 유사한 미세 구조를 지닌 텅스텐이 많이 함유된 합금을 만들었습니다. Nacre는 놀라운 무지개 빛깔의 색상과 놀라운 강도로 유명합니다. 진주층에 가까운 무거운 텅스텐 합금은 잠재적인 핵융합 응용 분야를 위해 PNNL 및 Virginia Tech 연구팀에 의해 연구되었습니다.

NNering/iStock

Haag에 따르면, "우리는 이러한 재료가 금속 및 합금 영역에서 사실상 전례 없는 기계적 성능을 갖는 이유를 알고자 했습니다."

합금의 미세 구조를 조사하기 위해 Haag와 그의 팀은 주사 투과 전자 현미경과 같은 고급 기술을 사용하여 합금의 원자 구조를 분석했습니다. 또한 원자 탐침 단층 촬영과 에너지 분산형 X선 분광학을 결합하여 나노 규모의 물질 구성을 매핑하는 작업도 진행했습니다.

무거운 텅스텐 합금은 진주층 구조 내부에 공존하는 두 개의 별도 단계, 즉 거의 순수한 텅스텐인 "경질" 단계와 니켈, 철 및 텅스텐의 조합으로 구성된 "연성" 단계로 구성됩니다. 연구 결과는 텅스텐이 많이 함유된 합금의 고강도의 원천으로서 밀접하게 결합된 "경질" 및 "연성" 상을 포함하여 다양한 상들 사이의 탁월한 연관성을 지적합니다.

PNNL의 계산 과학자이자 이번 연구의 공동 저자인 Wahyu Setyawan에 따르면, "두 가지 다른 단계는 견고한 합성물을 생성하지만 특성화를 위한 고품질 표본을 생성하는 데 큰 장애물이 됩니다. 이를 통해 우리는 정확한 정보를 노출할 수 있었습니다. 우리 팀원들의 훌륭한 작업 덕분에 간기 경계의 구조와 이러한 경계를 가로지르는 화학적 그라데이션이 가능해졌습니다."