普林斯頓等離子體物理實驗室發(fā)現維持核聚變的關鍵材料：硼

鎢作為托卡馬克聚變反應堆首選材料，因其濺射冷卻等離子體的問題而面臨挑戰(zhàn)，這使得維持聚變變得困難。

普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的研究人員提出，將硼粉撒入托卡馬克中可以防止這一問題，通過屏蔽墻壁并阻止鎢進入等離子體。最近在全球多個托卡馬克上進行的實驗以及一個新的計算機模型都支持了硼粉在保持聚變所需最佳等離子體條件方面的潛力。

鎢與聚變挑戰(zhàn)

隨著聚變研究的發(fā)展，鎢正越來越受到青睞，成為直接面對聚變反應堆內等離子體組件的理想材料，例如托卡馬克和仿星器。然而，在聚變等離子體的高溫下，鎢原子可以從反應堆壁面濺射到等離子體中。過多的鎢會顯著冷卻等離子體，這對維持聚變反應構成了挑戰(zhàn)。

美國能源部普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的研究人員現在有了實驗證據，表明將硼粉引入托卡馬克可以解決這個問題。硼部分地屏蔽了反應堆壁面免受等離子體影響，并阻止了壁面原子污染等離子體。此外，PPPL研究人員開發(fā)的新計算機模擬框架表明，硼粉可能只需要從一個點施加。這些發(fā)現及新的模擬方法最近在美國物理學會等離子體物理分會第66屆年度會議上進行了展示。

硼解決方案的應用

托卡馬克實驗科學副主管約瑟夫·斯尼普斯對基于實驗展示了減少鎢濺射的固體硼注入系統(tǒng)的前景感到樂觀。這些實驗在全球三個鎢壁托卡馬克中進行：一個位于德國，一個位于中國，另一個位于美國。

“硼粉像鹽一樣被撒入托卡馬克等離子體中，在等離子體邊緣被電離，然后沉積在托卡馬克的內壁和排氣區(qū)域，”他說?！耙坏└采w了一層薄薄的硼，它就會阻止鎢進入等離子體并輻射走等離子體的能量。”

斯尼普斯和他的同事們正在開發(fā)硼注入系統(tǒng)，最終目標是可能將其用于ITER組織的反應堆規(guī)模托卡馬克。該注入系統(tǒng)非常適合這項任務，因為它可以在機器運行時添加硼，同時還可以精確控制和限制注入的硼量。沉積的硼層保留了放射性元素氚，必須在ITER托卡馬克中最小化以符合核安全要求。ITER組織和橡樹嶺國家實驗室的科學家和工程師也參與了該項目。

硼注入建模的進展

PPPL的工作人員研究物理學家弗洛里安·埃芬貝格領導了一個單獨的項目，為DIII-D托卡馬克中的硼注入系統(tǒng)創(chuàng)建了一個計算機模擬框架。該框架建議，僅從一個位置撒硼粉就可能為模擬域中考慮的反應堆部件提供足夠均勻的硼分布。

“我們開發(fā)了一種新的方法來理解注入的硼材料在聚變等離子體中的行為，以及它如何與聚變反應堆的壁面相互作用，以保持它們在運行中的良好狀態(tài)，”埃芬貝格說。

下一步和ITER考量

研究人員的方法結合了三種不同的計算機模型，創(chuàng)建了一個新的框架和工作流程。“一個模型模擬等離子體的行為，另一個顯示硼粉顆粒在等離子體中的移動和蒸發(fā)，第三個則檢查硼顆粒如何與托卡馬克壁面相互作用，包括它們如何粘附、磨損以及與其他材料混合，”埃芬貝格說。

“這些見解對于優(yōu)化硼注入策略至關重要，以實現有效且均勻的壁面調節(jié)，特別是在ITER和其他聚變反應堆中，”埃芬貝格補充道。

雖然建模框架研究的是DIII-D，這是一個位于圣地亞哥的通用原子能公司運營的托卡馬克，其壁面由碳制成，但下一步研究將涉及將建?？蚣軘U展至ITER。ITER計劃使用鎢壁面，因此研究硼如何保護壁面的任何差異將非常重要。

會議：美國物理學會等離子體物理分會年度會議

斯尼普斯描述的工作還得到了以下研究人員的貢獻：勞瑞·羅伯特·貝耶爾、阿萊桑德羅·博爾托隆、弗洛里安·埃芬貝格、埃里克·吉爾森、阿爾貝托·洛亞特、羅伯特·倫斯福德、拉杰什·梅因吉、史蒂夫·梅特納、費德里科·內斯波利、丸山素、亞歷山大·納吉、孫臻、杰夫·烏爾里希和湯姆·沃特斯。這項工作的資金由ITER組織提供。

克勞斯·施密德、費德里科·內斯波利和馮玉赫參與了埃芬貝格在此新聞稿中描述的建?？蚣艿墓ぷ?。阿萊桑德羅·博爾托隆、杰里米·洛爾、泰勒·阿布拉姆斯、布萊恩·格里森、拉杰什·梅因吉和德米特里·魯達科夫對應用該建?？蚣茏龀隽素暙I。這項工作得到了DE-AC02-09CH11466、DE-FC02-04ER54698和DE-AC05-00OR22725的資金支持。