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导语
实现聚变能源商业化，有一个极具挑战性的工程问题：聚变装置中的关键材料，能否承受数十年的极端运行环境？
未来聚变电站内部的材料需要同时面对高温、高热流、强粒子轰击以及高能中子辐照等多重考验。在这些因素长期作用下，材料内部的微观结构会逐渐产生缺陷导致性能退化。因此，如何理解材料损伤机制，并预测其服役寿命，成为未来聚变工程走向商业化的重要基础。
2026年7月15日，德国慕尼黑工业大学（Technical University of Munich, TUM）、马克斯·普朗克等离子体物理研究所（Max Planck Institute for Plasma Physics, IPP）及TUM旗下Heinz Maier-Leibnitz研究中子源（FRM II）宣布启动新的研究联盟FUMA（Competence Center for the Optimization of Fusion Materials），旨在通过先进材料分析技术，研究未来聚变电站所需材料的性能变化规律。
下图：Christoph Hugenschmidt 教授在 FRM II 正电子源前
图片来源：TUM公开资料
一、聚变电站需要什么样的材料？
与传统能源设备相比，聚变装置对材料提出了更严苛的要求。
在托卡马克等磁约束聚变装置中，等离子体温度可达到上亿摄氏度，虽然磁场会将高温等离子体限制在真空室中心，但靠近等离子体的第一壁和偏滤器仍然需要承受极高的热负荷和粒子冲击。
与此同时，氘氚聚变反应会释放高能中子。这些中子不带电，可以穿透材料并与原子发生碰撞，改变材料内部晶格结构，产生大量微观缺陷。
简单来说，材料并不是像普通设备一样“磨损”，而是在原子尺度上逐渐发生变化：
原子排列被破坏；
晶格中形成空位缺陷；
内部产生纳米尺度孔洞；
材料强度和导热性能下降；
最终可能影响组件寿命和安全运行。
FUMA重点关注的材料，包括未来聚变装置中的候选结构材料和功能材料，例如用于结构部件的铁素体钢EUROFER97、用于第一壁和偏滤器区域的钨及钨合金，以及用于冷却系统的铜合金等。研究人员还特别关注中子辐照环境下钨材料中可能形成的铼元素，因为这一变化可能影响钨材料的性能。
二、FUMA：从原子尺度理解材料损伤
FUMA的核心目标，是建立更加深入的材料损伤认知能力。
目前，科学界已经知道哪些材料具有较好的耐高温和耐辐照性能，但对于材料在长期聚变环境中的演化过程，仍存在大量未知。
💡 例如，一个材料内部最初形成的微小缺陷，
是否会逐渐扩展成为影响结构安全的大规模损伤？
不同制造工艺是否会改变材料寿命？
焊接区域和复杂结构件是否会成为薄弱环节？
以上列举问题都需要更加精细的实验手段回答。
FUMA将结合FRM II的中子研究能力和正电子谱学技术，对材料从原子尺度到工程尺度进行分析。
其中，正电子谱学能够探测材料内部非常微小的缺陷，例如原子空位等结构变化。研究人员希望通过这种方法观察材料损伤如何从最初的原子级变化逐渐发展为影响整体性能的问题。
而中子技术则具有较强的材料穿透能力，可以帮助研究人员了解更大尺度范围内的晶体结构变化、内部应力以及材料状态。二者结合，可以形成从“微观缺陷”到“宏观性能”的分析链条。
下图：图为面向等离子体部件（PFC）的两种实验组件。热沉采用高导热性的铜材质，面向等离子体的一侧则使用钨进行强化。侧面展示了通过增材制造（3D打印）生成的钨结构，旨在增强其与热沉的结合力，从而显著提升部件的散热性能。FUMA 项目提供的诊断表征方法将首次实现对这类部件的精细化分析与进一步优化。
图片来源：IPP公开资料
三、IPP参与：
让材料研究更接近真实聚变环境
FUMA不仅关注材料本身，也强调材料研究与未来聚变装置需求之间的结合。
而IPP长期从事磁约束聚变研究，在等离子体-材料相互作用、第一壁和偏滤器相关技术方面积累了丰富经验。
因此，在FUMA项目中，IPP研究团队将参与材料样品分析以及工程条件下的性能研究。
例如，项目将关注增材制造组件和焊接结构中的材料问题，同时研究材料内部孔洞和残余应力等影响长期可靠性的因素。
这意味着FUMA并不是单纯进行材料基础研究，而是试图建立材料科学与未来聚变工程之间的连接。
下图：FUMA 项目首席科学家（PI）在启动会上的合影
图片来源：公开资料
行业观察：
此次，多机构（TUM、FRM II与IPP）联合启动FUMA，在为未来聚变电站建立更加系统的材料研究能力。
通过结合中子分析、正电子谱学以及聚变工程经验，FUMA准备回答的核心问题：
当聚变反应真正进入商业运行阶段时，材料能否承受几十年的极端环境？
从原子缺陷研究，到组件寿命预测，再到未来聚变电站设计，这条技术链将成为聚变能源商业化过程中不可或缺的一环。
参考阅读 📚
https://www.tum.de/en/news-and-events/all-news/press-releases/details/testing-materials-for-fusion-power-plants
https://www.ipp.mpg.de/start-research-consortium-fuma?c=5594164
https://www.ukaea.org/expertise/materials/
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