核聚变能有潜力成为一种有效的清洁能源，因为它的反应产生了令人难以置信的大量能量。聚变反应堆的目标是在地球上重现太阳核心发生的事情，在这个过程中，非常轻的元素融合并释放能量。工程师们可以利用这种能量来加热水，并通过蒸汽涡轮机发电，但通往核聚变的道路并不完全平坦。
索菲娅他们
田纳西大学核工程研究助理教授
受控核聚变在发电方面比其他能源有几个优点。首先，核聚变反应本身不会产生任何二氧化碳。没有熔毁的危险，而且该反应不会产生任何长寿命的放射性废物。
我是一名核工程师，研究科学家可以在聚变反应堆中使用的材料。核聚变发生在极高的温度下。因此，为了有一天使核聚变成为一种可行的能源，建造反应堆的材料需要能够承受核聚变反应产生的热量和辐射。
在核聚变反应中，几种元素可以合并。大多数科学家更喜欢氘加氚。这两种元素在反应堆所能维持的温度下发生聚变的可能性最高。这个反应产生一个氦原子和一个中子，中子携带了反应产生的大部分能量。
自1952年以来，人类已经在地球上成功地产生了核聚变反应——有些甚至在他们的车库里。但现在的诀窍是让它值得。你需要从这个过程中获得比你在开始反应时投入的更多的能量。
聚变反应发生在非常热的等离子体中，等离子体是一种类似气体的物质状态，但由带电粒子组成。等离子体需要保持极高的温度——超过1亿摄氏度——并在反应过程中凝结。
为了保持等离子体的高温和冷凝，并产生一个可以持续进行的反应，你需要特殊的材料来构成反应堆的壁。你还需要一种廉价可靠的燃料来源。
氘很常见，可以从水中获得，而氚非常罕见。一个1千兆瓦的聚变反应堆预计每年燃烧56公斤氚。但是世界上只有大约25公斤的氚可供商业使用。
研究人员需要在聚变能落地之前找到氚的替代来源。一种选择是让每个反应堆通过一个叫做繁殖毯的系统产生自己的氚。
繁殖毯构成了等离子体室壁的第一层，其中含有锂，锂与聚变反应中产生的中子反应产生氚。这个包层也将这些中子所携带的能量转化为热量。
聚变装置还需要一个分流器，用来提取反应中产生的热量和灰烬。分流剂有助于使反应持续更长时间。
这些材料将受到前所未有的高温和粒子轰击。目前还没有任何实验设施可以在现实世界中重现这些条件和测试材料。因此，我的研究重点是利用模型和计算机模拟来弥合这一差距。
我和我的同事们致力于制造一种工具，可以预测聚变反应堆中的材料是如何腐蚀的，以及当它们暴露在极端高温和大量粒子辐射下时，它们的性质是如何变化的。
当它们受到辐射时，这些材料会形成和生长缺陷，从而影响它们对热和应力的反应。在未来，我们希望政府机构和私人公司可以使用这些工具来设计核聚变发电厂。
我们的方法称为多尺度建模，包括使用一系列计算模型在不同时间和长度尺度上观察这些材料的物理特性。
我们首先通过精确但昂贵的模拟，在原子尺度上研究这些材料中发生的现象。例如，一种模拟可能会研究辐照过程中氢在材料内部的运动。
从这些模拟中，我们看到了诸如扩散率之类的特性，它告诉我们氢可以在材料中扩散多少。
我们可以将这些原子水平模拟的信息整合到更便宜的模拟中，这些模拟可以观察材料在更大范围内的反应。这些大规模的模拟成本较低，因为它们将材料作为一个连续体来建模，而不是考虑每个原子。
原子尺度的模拟在超级计算机上运行可能需要数周时间，而连续体的模拟只需要几个小时。
所有这些在计算机上进行的建模工作，然后与实验室中得到的实验结果进行比较。
例如，如果材料的一侧有氢气，我们想知道有多少氢气泄漏到材料的另一侧。如果模型和实验结果相匹配，我们就可以对模型有信心，用它来预测相同材料在聚变装置中所期望的条件下的行为。
如果它们不匹配，我们就回到原子尺度的模拟来调查我们错过了什么。
此外，我们可以将更大尺度的材料模型与等离子体模型相结合。这些模型可以告诉我们聚变反应堆的哪个部分将是最热的，或者有最多的粒子轰击。从那里，我们可以评估更多的情况。
例如，如果在核聚变反应堆的运行过程中有太多的氢通过材料泄漏，我们可以建议在某些地方使材料更厚，或者添加一些东西来捕获氢。
随着对商业核聚变能源探索的继续，科学家们将需要设计出更有弹性的材料。这一领域的可能性是令人生畏的——工程师可以用许多方法将多个元素组合在一起制造。
你可以把两种元素结合起来创造一种新材料，但是你怎么知道每种元素的正确比例是多少呢？如果你想尝试混合五种或更多的元素呢？要对所有这些可能性进行模拟需要很长时间。
值得庆幸的是，人工智能可以提供帮助。通过结合实验和模拟结果，分析人工智能可以推荐最有可能具有我们正在寻找的特性的组合，例如耐热性和抗逆性。
其目的是减少工程师为了节省时间和金钱而必须生产和实验测试的材料数量。
Sophie Blondel接受了美国能源部的资助。
