科學家將硼應用於聚變設施中的鎢部件

來自CEA、橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）和法國綜合理工學院（France's École Polytechnique）的科學家們在近期研究中使用一個滴粉器能夠成功地將硼（B）粉滴入託卡馬克內的高溫等離子體中，而托卡馬克的部件是由耐熱的鎢部件製成的。

B一種常見的家用清潔劑中的元素，與托卡馬克（將燃料加熱到百萬度高溫的環形核聚變設施）之間有什麼聯繫？美國能源部（DOE）普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的科學家們進行的研究表明，PPPL開發的滴粉器可以成功地將硼粉滴入託卡馬克內的高溫等離子體，而托卡馬克的部件是由一種稱為鎢的耐熱材料製成的。

（圖片來源：labmanager.com）

科學家們希望確認他們可以使用這一過程將B應用於鎢零件，因為如果等離子體損壞鎢，裸露的鎢壁會損害等離子體的性能。

由於鎢的熔點很高，它被越來越多地用於托卡馬克，以説明組件承受核聚變過程中的高熱。B部分地遮罩了鎢與等離子體的接觸，並防止鎢洩漏到等離子體中；它還吸收了等離子體中可能來自其他來源的任何雜散元素，如氧氣。這些不需要的雜質可能會冷卻等離子體並熄滅核聚變反應。

PPPL的博士後研究員Grant Bodner說：“我們需要一種在不關閉托卡馬克磁場的情況下沉積硼塗層的方法，而這正是粉末滴管允許我們做的，”他是在《核聚變》上報告這一結果的研究論文的主要作者。這項研究是利用法國原子能委員會（CEA）運營的鎢環境下的穩態托卡馬克（WEST）進行的。

Bodner補充道：“WEST是為數不多的全鎢環境之一，可以幫助我們在長脈衝下測試這項技術。”物理學家使用WEST進行實驗的另一個原因是，它的磁鐵是由超導材料製成的，這種材料將在未來聚變裝置內的磁鐵中發揮作用。這種材料在導電時幾乎沒有阻力，而且產生的多餘熱量也很少，因此磁鐵可以長期不間斷地運行，就像未來的聚變反應堆所必須做的那樣。磁鐵產生了限制等離子體的力量，使其能夠進行聚變。

（圖片來源：SciTechDaily）

核聚變是驅動太陽和恒星的動力，它將輕元素以等離子體的形式結合起來—等離子體是由自由電子和原子核組成的熱的、帶電的物質狀態—產生大量的能量。科學家們正在尋求在地球上複製核聚變，以獲得幾乎取之不盡的電力供應。

科學家們需要一種在機器運行時補充B塗層的方法，因為未來的核聚變設施將不能經常關閉進行重新塗層。“在托卡馬克運行時向其投放B就像在打掃你的公寓，同時做你通常在裡面做的所有其他事情，這非常有幫助—這意味著你不必從你通常的活動中抽出額外的時間來做清潔，”為這項研究做出貢獻的CEA科學家Alberto Gallo說。

滴粉器裝置被安裝在托卡馬克的頂部，並使用精確的致動器將粉末狀材料從它們的貯藏室移到托卡馬克的真空室。這種機制使研究人員能夠精確地設置粉末滴落的速度和持續時間，在其他核聚變設施中，這些粉末可以包括其他性能增強的材料，如鋰。由於這種靈活性，該滴管有可能在未來真正發揮作用。

研究人員驚訝地發現，由滴管鋪設的硼的作用不僅僅是調節鎢部件的內表面。Bodner說：“我們看到，當我們滴入粉末時，等離子體的封閉性增加了，這意味著它保留了更多的熱量，這有助於聚變過程。”

密閉性的提高特別有幫助，因為它的發生並沒有使等離子體進入一種被稱為H模式（高密閉模式）的狀態，在這種狀態下，密閉性提高了，但等離子體更有可能爆發出所謂的邊緣定位模式，即ELMs。這些ELMs將熱量從等離子體中移出，降低了聚變反應的效率，有時還會損壞內部元件。Bodner說：“如果我們能夠使用滴管來獲得H模式的良好約束，而不實際進入H模式並冒著ELMs的風險，這對聚變反應堆來說將是非常好的。”

“在未來，研究人員希望僅在必要時測試使用滴管，以保持良好的等離子體性能。添加任何額外的雜質，甚至是硼，都會減少你得到的聚變能力，因為等離子體變得不那麼純淨。因此，我們必須嘗試使用仍然能夠產生我們想要的效果的最小量的硼。”Bodner說。

（文章來源: www.sciencedaily.com）

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