未來的核聚變能反應(yīng)堆內(nèi)部將是地球上有史以來最惡劣的環(huán)境之一。有什么足以保護聚變反應(yīng)堆內(nèi)部不受等離子體產(chǎn)生的熱通量(類似于重新進入地球大氣層的航天飛機)的作用?

能源部橡樹嶺國家實驗室(Zeke Unterberg)和他的團隊目前正在與領(lǐng)先的候選化合物進行合作：鎢，其元素周期表中所有金屬的熔點最高，蒸氣壓最低，并且抗拉強度非常高，使其很適合長時間濫用的屬性。他們專注于理解鎢在聚變反應(yīng)堆中的工作方式。聚變反應(yīng)堆是一種將輕原子加熱到比太陽核高的溫度的裝置，以便它們?nèi)诤喜⑨尫拍芰?。聚變反?yīng)堆中的氫氣轉(zhuǎn)化為氫等離子體(一種由部分電離的氣體組成的物質(zhì)狀態(tài))，然后被強磁場限制在一個較小的區(qū)域 或激光。

ORNL聚變能事業(yè)部的高級研究人員Unterberg說：“您不想在反應(yīng)堆中放一些只能持續(xù)幾天的東西。” “你要有足夠的壽命。我們將鎢放到我們預(yù)期會有很高等離子轟擊的區(qū)域。”

2016年，溫特伯格(Unterberg)及其團隊開始在位于美國圣地亞哥的DOE科學(xué)辦公室用戶設(shè)施DIII-D國家聚變設(shè)施的聚變反應(yīng)堆托卡馬克中進行實驗，該聚變反應(yīng)堆使用磁場來容納等離子體環(huán)。他們想知道是否可以使用鎢來加固托卡馬克的真空室-保護它免受等離子體影響而導(dǎo)致的快速破壞-而不會嚴(yán)重污染等離子體本身。如果不能充分控制，這種污染最終將使聚變反應(yīng)熄滅。

溫特伯格說：“我們正在試圖確定腔室內(nèi)哪些區(qū)域特別糟糕：鎢最有可能在其中產(chǎn)生污染等離子體的雜質(zhì)。”

為了發(fā)現(xiàn)這一點，研究人員使用了豐富的鎢同位素W-182和未修飾的同位素來追蹤偏濾器內(nèi)部鎢的腐蝕，遷移和再沉積。查看鎢在分流器內(nèi)的運動-真空室中旨在轉(zhuǎn)移等離子體和雜質(zhì)的區(qū)域-使它們更清楚地了解鎢如何從托卡馬克內(nèi)部腐蝕并與等離子體相互作用。富集的鎢同位素具有與常規(guī)鎢相同的物理和化學(xué)性質(zhì)。在DIII-D進行的實驗使用了涂有富集同位素的小金屬插入物，該金屬插入物位于最高熱通量區(qū)域附近，但不在最高熱通量區(qū)域處，該區(qū)域通常被稱為分散器遠目標(biāo)區(qū)域。另外，在通量最大的偏濾器區(qū)域，觸擊點 研究人員將插入物與未修飾的同位素一起使用。DIII-D腔室的其余部分裝有石墨。

這種設(shè)置使研究人員可以在臨時插入腔室中的特殊探針上收集樣品，以測量進出船舶裝甲的雜質(zhì)流，這可以使他們更準(zhǔn)確地了解從分流器泄漏到腔室中的鎢在何處具有起源。

溫特伯格說：“使用富集的同位素為我們提供了獨特的指紋。”

這是在融合設(shè)備中進行的第一個此類實驗。一個目標(biāo)是確定用于房間裝甲的這些材料的最佳材料和位置，同時將由等離子體-材料相互作用引起的雜質(zhì)大部分包含在分流器中，并且不污染用于產(chǎn)生聚變的磁體限制的核心等離子體。

分流器的設(shè)計和操作的一個復(fù)雜之處是等離子體的雜質(zhì)污染是由邊緣定位模式或ELM引起的。其中一些類似于太陽耀斑的快速，高能事件會損壞或破壞分流板等船只部件。ELM的頻率(這些事件每秒發(fā)生的時間)指示從等離子體釋放到壁的能量。高頻ELM每次噴發(fā)可釋放少量血漿，但如果ELM頻率較低，則每次噴發(fā)釋放的血漿和能量較高，損壞的可能性更大。最近的研究已經(jīng)研究了控制和增加ELM頻率的方法，例如通過顆粒注入或很小的磁場強度。

Unterberg小組發(fā)現(xiàn)，正如他們所期望的那樣，將鎢置于遠離高通量觸擊點的位置時，暴露于具有較高能量含量和每個事件與表面接觸的低頻ELM時，大大增加了污染的可能性。此外，研究小組發(fā)現(xiàn)，該偏濾器遠目標(biāo)區(qū)域更容易受到SOL的污染，即使它的通量通常低于擊穿點。這些看似違反直覺的結(jié)果已被與該項目有關(guān)的正在進行的偏濾器建模工作以及未來在DIII-D上的實驗所證實。

該項目由來自北美的專家團隊組成，其中包括普林斯頓等離子體物理實驗室，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室，桑迪亞國家實驗室，ORNL，通用原子，奧本大學(xué)，加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校，多倫多大學(xué)，田納西大學(xué)諾克斯維爾分校和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校，因為它為等離子體-材料相互作用研究提供了重要工具。能源部科學(xué)辦公室(融合能源科學(xué))為這項研究提供了支持。

該小組于今年初在《核聚變》雜志上在線發(fā)表了研究報告。

該研究可能會立即使目前在法國卡達拉奇建造的歐洲聯(lián)合圓環(huán)或JET和ITER受益，這兩個都使用鎢盔甲作為分流器。

Unterberg說：“但是，我們正在研究ITER和JET以外的事物–我們正在研究未來的聚變反應(yīng)堆。” “在哪里放鎢最好，在哪里不放鎢?我們的最終目標(biāo)是，以聰明的方式給聚變反應(yīng)堆裝甲。”

溫特伯格說，ORNL獨特的穩(wěn)定同位素小組(在將濃縮同位素涂層制成對實驗有用的形式之前對其進行開發(fā)和測試)使這項研究成為可能。他說，只有從ORNL的國家同位素開發(fā)中心那里才能找到這種同位素，該中心擁有幾乎所有同位素分離的元素的儲備。

Unterberg說：“ ORNL對這類研究具有獨特的專業(yè)知識和特殊要求。” “我們擁有開發(fā)同位素并將其用于世界各地不同應(yīng)用的各種研究中的悠久歷史。”

此外，ORNL還管理美國ITER。

接下來，研究小組將研究將鎢放入不同形狀的分流器中如何影響鐵芯的污染。從理論上講，不同的偏濾器幾何形狀可以使等離子體-材料相互作用對核心等離子體的影響最小化。知道分流器的最佳形狀(磁約束等離子體裝置的必要組件)會使科學(xué)家離可行的等離子體反應(yīng)器更近一步。

溫特伯格說：“如果我們作為一個社會，說我們希望發(fā)生核能，并且想進入下一階段，那么融合將是圣杯。”