美國科學家開發新型X射線系統 可用於診斷“人造太陽”運轉狀態

近日，美國能源部普林斯頓等離子體物理實驗室的一個科學家團隊贏得了美國能源部科學獎，這源於他們為法國West托卡馬克專案開發了兩個新型的X射線診斷儀器。這種儀器可以提前診斷ITER人造太陽項目中等離子體第一壁材料鎢可能出現的熔化風險。

WEST是歐洲的ITER人造太陽項目，主要用於開展原型部件試驗，從而推進國際熱核聚變實驗堆（ITER）的建設。WEST是由Tore Supra裝置升級而來，與中國的EAST東方超環專案遙相呼應。早期的Tore Supra裝置是一台使用碳元素等離子元件的大型設備。現在，WEST的研究人員已經以鎢制元件替代碳元件，這其中最主要的替換就是偏濾器。

偏濾器是ITER中最重要的關鍵部分，其主要功能是有效地遮罩來自器壁的雜質，減少對中心等離子體的污染，並實現中心等離子體粒子流和熱流的功率疏散，偏濾器的出現使得清潔芯部等離子體的獲取成為可能。在目前全世界的ITER研究中，偏濾器主要採用鎢合金材料。

眾所周知，鎢是熔點最高的金屬之一。鎢及鎢合金具有高熔點、高導熱率、高密度、低的熱膨脹係數、低蒸氣壓、低氚滯留、低濺射產額和高自濺射閥值等優異性能。在早期的ITER研究中，雖然碳也能承受高溫，但是碳材料會和氫氣發生反應，然後釋放出放射性污染，十分危險。而鎢在這方面則具有優勢，鎢基材料可以承受熔化等離子體的超熱溫度而不吸收等離子體中的氣體，所以，不僅是偏濾器使用鎢材料，從ITER進入第三階段研究後，用於內壁的碳和鈹基材料也遭到淘汰，所有的器壁材料都改成了鎢，這主要考慮到鎢合金材料低物理濺射率、高濺射閾值能量、產生雜質少等特點。

但是鎢基材料也有短板。它最大的缺點是：如果ITER內部發生出乎意料的爆炸而產生熱量，鎢就有可能會熔化，鎢不像碳那樣能立即破壞等離子體，停止熔化，這就容易造成難以預料的風險和損失。這時，美國科學家所研究的兩種新設備就能派上用場了。

據瞭解，科學家新研究的第一種設備被稱為“多能量硬X射線（ME-HXR）相機診斷系統”，它不僅可以測量來自促進聚變反應的等離子體的廣泛能量範圍內的X射線發射，還可以探測將覆蓋托卡馬克內部的鎢金屬瓦片的X射線輻射，這些資訊將揭示機器的極端熱量是否已經從瓷磚中除去鎢原子並將其推入等離子體中，如果鎢原子在等離子體中大量存在就可能表明鎢偏濾器已經開始熔化，這種鎢含量的監測對防止機器損壞至關重要。

另一種設備則被稱為“緊湊型X射線成像晶體光譜儀”這台診斷儀則更像ITER中等離子體的定位系統，它能創建等離子體的低解析度二維橫截面圖像，以顯示雜質（包括氬，鉬，氙和鎢）的總體位置，可以更具體地監測ITER中等離子體的的運轉狀態。

將這是兩種不同但互補的工具用於WEST的等離子體診斷，可以為未來的融合器件研究提供重要資訊，為推進全人類“人造太陽”ITER項目的進展發揮重要的作用。

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