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【电力新视界】阳光下的新“丰收”:美国农民掘金光伏农业
2025-07-311


一场核能领域的革命正在悄然兴起。时隔数十年,核能行业再次焕发出前所未有的活力、雄心与资本支持。在全球能源需求激增、地缘政治格局重塑以及气候变化压力的推动下,核能正迎来一场复兴。这场复兴不仅依赖于下一代反应堆的设计,更离不开支撑这些设计的先进材料。

从私人投资的核聚变初创公司到小型模块化裂变反应堆,核能行业面临着一个共同的瓶颈——材料。几十年来,核能行业依赖的传统材料已无法满足当下需求。我们需要全新的材料,能够同时承受极端高温、中子轰击、腐蚀以及机械应力。最近美国与英国宣布的核材料测试合作,凸显了这一挑战的紧迫性和全球性。而随着核能项目部署时间表的加快,行业不仅需要性能更优的材料,还需要这些材料能够迅速投入应用。

在这场赛跑中,基于物理的数字化建模和集成计算材料工程(ICME)技术成为不可或缺的工具。这些技术让企业能够在投入昂贵且耗时的实验之前,模拟新合金在反应堆极端条件下的性能表现。它们帮助企业在极限环境中测试材料的可靠性,并以前所未有的速度设计、优化和规模化生产新材料。

新时代,新挑战

当今最先进的核聚变反应堆,例如美国Commonwealth Fusion Systems公司研发的SPARC托卡马克反应堆,运行在工业领域前所未有的极端条件下。在这些反应堆内部,等离子体的温度甚至超过太阳核心,而周围的部件则需要在短短几英寸的空间内应对从极低温到炽热的剧烈温差。与此同时,强大的超导磁体产生巨大的电磁场,以维持反应堆的稳定运行。

注:SPARC渲染图。这是一个紧凑型高场托卡马克装置,目前由麻省理工学院和联邦聚变系统公司(Commonwealth Fusion Systems)的团队设计。其任务是创造并限制产生净聚变能量的等离子体。

图片来源:T. Henderson,CFS/MIT-PSFC,2020

这些运行条件对材料提出了极高要求:从堪比小型建筑的结构铸件,到直面等离子体的高温钨板,再到接近绝对零度的超导体,每一种部件都需要在极端温度、辐射、应力和腐蚀环境中保持稳定。

在核裂变领域,模块化反应堆初创公司正在开发紧凑型、可移动的反应堆。这些反应堆采用熔盐或气体冷却,而非传统的水冷设计。虽然这些设计在安全性和效率上更具优势,但也带来了全新的化学反应性和腐蚀挑战。归根结底,材料仍是决定这些技术能否成功的关键。

建模“不可能”

QuesTek Innovations等公司正在实时应对这些挑战。无论是提升钨的延展性以适配聚变反应堆的几何需求,模拟中子对材料的长时损伤,还是协助制造商探索新型钒基合金,它们始终站在材料科学的尖端,探索已知与未知的边界。

钒合金就是一个典型案例。尽管钒合金因其卓越的抗辐射性能在核能领域备受关注,但将其从实验室样品扩展到反应堆部件并非易事。对于大多数商业生产商来说,钒合金尚属陌生,其加工过程需要精确控制熔炼、锻造和杂质含量。数字化建模技术填补了这些知识空白,通过预测材料性能、指导制造参数和加速认证,为行业提供了关键支持。

这些问题绝非纸上谈兵。Commonwealth Fusion Systems、Pacific Fusion等快速发展的核能初创公司已吸引了数十亿美元的私人投资。它们不仅在材料性能上挑战极限,还在时间表上争分夺秒。这些公司无法承受长达数年的设计-测试-修改迭代周期,它们需要精准的预测性洞察。

建模与测试的协同之道

需要强调的是,建模并非要取代测试,而是让测试更高效。对于核能这样安全至关重要的领域,实验验证始终不可或缺。但单纯依靠物理测试耗时长、成本高,尤其是需要建设专用设施或进行数月甚至数年的辐照实验。建模技术则允许我们在投入实验之前,筛选候选合金、隔离变量并预测潜在失效,从而优化实验设计。

在许多情况下,建模是获取极端环境早期洞察的唯一可行途径。高保真模拟能够预测材料在高温和高通量中子辐照下的行为,即便目前尚无实验设施能完全重现这些条件。这种“提前预见”的能力对于指导研发投资、降低风险至关重要。

物理测试仍是不可替代的。然而,随着核能项目——无论是公共还是私人——加速推进既定目标,数字化建模与实验验证的深度融合将成为成功的关键。未来反应堆的成败,不仅取决于设计本身的创新,更依赖于先进材料的战略开发。

原文链接:

https://www.powermag.com/how-digital-modeling-of-materials-will-make-next-generation-nuclear-possible/

作者:Jason Sebastian

本文已进行编译。



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