科学家将硼应用于聚变设施中的钨部件

来自CEA、橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)和法国综合理工学院(France's École Polytechnique)的科学家们在近期研究中使用一个滴粉器能够成功地将硼(B)粉滴入托卡马克内的高温等离子体中,而托卡马克的部件是由耐热的钨部件制成的。

B一种常见的家用清洁剂中的元素,与托卡马克(将燃料加热到百万度高温的环形核聚变设施)之间有什么联系?美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的科学家们进行的研究表明,PPPL开发的滴粉器可以成功地将硼粉滴入托卡马克内的高温等离子体,而托卡马克的部件是由一种称为钨的耐热材料制成的。

科学家们希望确认他们可以使用这一过程将B应用于钨零件,因为如果等离子体损坏钨,裸露的钨壁会损害等离子体的性能。

由于钨的熔点很高,它被越来越多地用于托卡马克,以帮助组件承受核聚变过程中的高热。B部分地屏蔽了钨与等离子体的接触,并防止钨泄漏到等离子体中;它还吸收了等离子体中可能来自其他来源的任何杂散元素,如氧气。这些不需要的杂质可能会冷却等离子体并熄灭核聚变反应。

科学家们将硼应用于核聚变设施中的钨部件图片

(图片来源:labmanager.com)

PPPL的博士后研究员Grant Bodner说:“我们需要一种在不关闭托卡马克磁场的情况下沉积硼涂层的方法,而这正是粉末滴管允许我们做的,”他是在《核聚变》上报告这一结果的研究论文的主要作者。这项研究是利用法国原子能委员会(CEA)运营的钨环境下的稳态托卡马克(WEST)进行的。

Bodner补充道:“WEST是为数不多的全钨环境之一,可以帮助我们在长脉冲下测试这项技术。”物理学家使用WEST进行实验的另一个原因是,它的磁铁是由超导材料制成的,这种材料将在未来聚变装置内的磁铁中发挥作用。这种材料在导电时几乎没有阻力,而且产生的多余热量也很少,因此磁铁可以长期不间断地运行,就像未来的聚变反应堆所必须做的那样。磁铁产生了限制等离子体的力量,使其能够进行聚变。

核聚变是驱动太阳和恒星的动力,它将轻元素以等离子体的形式结合起来—等离子体是由自由电子和原子核组成的热的、带电的物质状态—产生大量的能量。科学家们正在寻求在地球上复制核聚变,以获得几乎取之不尽的电力供应。

科学家们需要一种在机器运行时补充B涂层的方法,因为未来的核聚变设施将不能经常关闭进行重新涂层。“在托卡马克运行时向其投放B就像在打扫你的公寓,同时做你通常在里面做的所有其他事情,这非常有帮助—这意味着你不必从你通常的活动中抽出额外的时间来做清洁,”为这项研究做出贡献的CEA科学家Alberto Gallo说。

滴粉器装置被安装在托卡马克的顶部,并使用精确的致动器将粉末状材料从它们的贮藏室移到托卡马克的真空室。这种机制使研究人员能够精确地设置粉末滴落的速度和持续时间,在其他核聚变设施中,这些粉末可以包括其他性能增强的材料,如锂。由于这种灵活性,该滴管有可能在未来真正发挥作用。

钨越来越多地被用于托卡马克图片

(图片来源:SciTechDaily)

研究人员惊讶地发现,由滴管铺设的硼的作用不仅仅是调节钨部件的内表面。Bodner说:“我们看到,当我们滴入粉末时,等离子体的封闭性增加了,这意味着它保留了更多的热量,这有助于聚变过程。”

密闭性的提高特别有帮助,因为它的发生并没有使等离子体进入一种被称为H模式(高密闭模式)的状态,在这种状态下,密闭性提高了,但等离子体更有可能爆发出所谓的边缘定位模式,即ELMs。这些ELMs将热量从等离子体中移出,降低了聚变反应的效率,有时还会损坏内部元件。Bodner说:“如果我们能够使用滴管来获得H模式的良好约束,而不实际进入H模式并冒着ELMs的风险,这对聚变反应堆来说将是非常好的。”

“在未来,研究人员希望仅在必要时测试使用滴管,以保持良好的等离子体性能。添加任何额外的杂质,甚至是硼,都会减少你得到的聚变能力,因为等离子体变得不那么纯净。因此,我们必须尝试使用仍然能够产生我们想要的效果的最小量的硼。”Bodner说。

(文章来源: www.sciencedaily.com

 

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