一种新的显微技术揭示了核反应堆焊缝中的隐藏缺陷，从而解锁了未来聚变能更安全、更坚固的设计方案。

随着全球共建首座商业核聚变发电厂的努力不断加强，萨里大学的工程师们在理解焊接部件在核聚变反应堆极端条件下的性能方面取得了重大突破。这一进展提供了至关重要的见解，有望打造出更安全、更耐用的核聚变能源系统。

在与英国原子能管理局 (UKAEA)、国家物理实验室和科学仪器公司TESCAN的合作中，研究人员开发了一种尖端的显微技术，用于识别焊接金属中的隐藏缺陷。这些在制造过程中形成的内部缺陷可能会损害反应堆部件的结构完整性和使用寿命。

相关研究成果已发表在《材料研究与技术杂志》上，研究重点是P91钢，这是一种高强度、耐热的合金，正被考虑用于未来的核聚变反应堆。研究团队使用了一种名为等离子聚焦离子束和数字图像相关（PFIB-DIC）的精密成像方法，成功绘制了极窄焊缝区域中残余应力的分布图，而这些焊缝区域以往由于尺寸过小，无法使用常规工具进行分析。

结果表明，内应力对P91钢的性能有很大影响——有益的内应力会使某些区域更坚硬，有害的内应力会使其他区域更柔软，这会影响金属的弯曲和断裂方式。在聚变反应堆所预期的550℃温度下，这种金属变得更脆，强度降低了30%以上。

了解反应堆温度下的焊接行为

领导这项研究的萨里大学材料工程副教授（高级讲师）谭穗博士表示：“核聚变作为一种清洁可靠的能源，潜力巨大，能够帮助我们减少碳排放，改善能源安全，降低不断上涨的能源账单的费用。但首先，我们需要确保核聚变反应堆足够安全，经久耐用。

“先前的研究都是在较低温度下观察材料的性能，但我们发现了一种方法，可以测试焊接接头在真实聚变反应堆条件下（尤其是高温条件下）的表现。这些发现更能代表恶劣的聚变环境，对未来的反应堆设计和安全评估更具参考价值。”

核聚变能——为太阳和恒星提供能量的过程——通过轻原子核聚变释放出大量能量。与传统核能不同，核聚变所使用的材料及其产生的放射性废物，通常半衰期较短，危害性也远低得多。

除了实验室之外，该团队的数据为验证有限元仿真模型和机器学习预测工具提供了基础，这些模型和工具在加速聚变反应堆设计方面潜力巨大，如英国的球形托卡马克能源增殖计划（STEP）和欧盟的聚变能示范电厂（DEMO）项目。这将有助于研究人员改进预测，专注于最有利的材料结果，从而大幅降低实验成本。

更安全核材料的蓝图

本研究的主要作者、萨里大学工程材料研究中心研究员 Bin Zhu 博士表示：“我们的工作为评估聚变反应堆以及各类极端环境中焊接接头的结构完整性提供了蓝图。我们开发的方法改变了评估残余应力的方式，可应用于多种金属接头。这是为核工业设计更安全、更具弹性的部件方面迈出的重要一步。”

随着未来核聚变发电商业化的实现，这项研究将在推动实现核聚变发电所需技术的发展方面发挥至关重要的作用——让我们离大规模提供安全、低碳的电力更近一步。

TESCAN 的 FIB-SEM 产品经理 Jiří Dluhoš 介绍称：“我们的 FIB-SEM 设备能够成为能源行业材料研究这一关键课题的一部分，我们深感自豪。我们与萨里大学长期合作，致力于自动化微观残余应力测量，这证明等离子 FIB-SEM 可成功用于微观尺度的高精度加工。”

参考文献：朱斌、奥马尔·穆罕默德、阿卜杜勒·拉赫曼·科科、张汉娜、吉里·德鲁霍什、王义强、迈克尔·戈利、马克·J·惠廷、谭穗于2025年3月1日在《材料研究与技术期刊》上发表的“聚变发电厂部件用激光焊接P91钢的残余应力与高温力学性能评估”。 DOI：10.1016/j.jmrt.2025.02.260

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