未來的核聚變能反應堆內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堆內部不受等離子體產生的熱通量(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堆中的工作方式。聚變反應堆是一種將輕原子加熱到比太陽核高的溫度的裝置，以便它們融合并釋放能量。聚變反應堆中的氫氣轉化為氫等離子體(一種由部分電離的氣體組成的物質狀態(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科學辦公室用戶設施DIII-D國家聚變設施的聚變反應堆托卡馬克中進行實驗，該聚變反應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致的快速破壞-而不會嚴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熄滅。

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

為了發(fā)現這一點，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部鎢的腐蝕，遷移和再沉積。查看鎢在分流器內的運動-真空室中旨在轉移等離子體和雜質的區(qū)域-使它們更清楚地了解鎢如何從托卡馬克內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性質。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流，這可以使他們更準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。”

這是在融合設備中進行的第一個此類實驗。一個目標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大部分包含在分流器中，并且不污染用于產生聚變的磁體限制的核心等離子體。

分流器的設計和操作的一個復雜之處是等離子體的雜質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，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，該偏濾器遠目標區(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果已被與該項目有關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，加利福尼亞大學圣地亞哥分校，多倫多大學，田納西大學諾克斯維爾分校和威斯康星大學麥迪遜分校，因為它為等離子體-材料相互作用研究提供了重要工具。能源部科學辦公室(融合能源科學)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堆。” “在哪里放鎢最好，在哪里不放鎢?我們的最終目標是，以聰明的方式給聚變反應堆裝甲。”

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)會使科學家離可行的等離子體反應器更近一步。

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。”