美国科学家开发新型X射线系统 可用于诊断“人造太阳”运转状态

近日，美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室的一个科学家团队赢得了美国能源部科学奖，这源于他们为法国West托卡马克项目开发了两个新型的X射线诊断仪器。这种仪器可以提前诊断ITER人造太阳项目中等离子体第一壁材料钨可能出现的熔化风险。

WEST是欧洲的ITER人造太阳项目，主要用于开展原型部件试验，从而推进国际热核聚变实验堆（ITER）的建设。WEST是由Tore Supra装置升级而来，与中国的EAST东方超环项目遥相呼应。早期的Tore Supra装置是一台使用碳元素等离子组件的大型设备。现在，WEST的研究人员已经以钨制元件替代碳元件，这其中最主要的替换就是偏滤器。

偏滤器是ITER中最重要的关键部分，其主要功能是有效地屏蔽来自器壁的杂质，减少对中心等离子体的污染，并实现中心等离子体粒子流和热流的功率疏散，偏滤器的出现使得清洁芯部等离子体的获取成为可能。在目前全世界的ITER研究中，偏滤器主要采用钨合金材料。

众所周知，钨是熔点最高的金属之一。钨及钨合金具有高熔点、高导热率、高密度、低的热膨胀系数、低蒸气压、低氚滞留、低溅射产额和高自溅射阀值等优异性能。在早期的ITER研究中，虽然碳也能承受高温，但是碳材料会和氢气发生反应，然后释放出放射性污染，十分危险。而钨在这方面则具有优势，钨基材料可以承受熔化等离子体的超热温度而不吸收等离子体中的气体，所以，不仅是偏滤器使用钨材料，从ITER进入第三阶段研究后，用于内壁的碳和铍基材料也遭到淘汰，所有的器壁材料都改成了钨，这主要考虑到钨合金材料低物理溅射率、高溅射阈值能量、产生杂质少等特点。

但是钨基材料也有短板。它最大的缺点是：如果ITER内部发生出乎意料的爆炸而产生热量，钨就有可能会熔化，钨不像碳那样能立即破坏等离子体，停止熔化，这就容易造成难以预料的风险和损失。这时，美国科学家所研究的两种新设备就能派上用场了。

据了解，科学家新研究的第一种设备被称为“多能量硬X射线（ME-HXR）相机诊断系统”，它不仅可以测量来自促进聚变反应的等离子体的广泛能量范围内的X射线发射，还可以探测将覆盖托卡马克内部的钨金属瓦片的X射线辐射，这些信息将揭示机器的极端热量是否已经从瓷砖中除去钨原子并将其推入等离子体中，如果钨原子在等离子体中大量存在就可能表明钨偏滤器已经开始熔化，这种钨含量的监测对防止机器损坏至关重要。

另一种设备则被称为“紧凑型X射线成像晶体光谱仪”这台诊断仪则更像ITER中等离子体的定位系统，它能创建等离子体的低分辨率二维横截面图像，以显示杂质（包括氩，钼，氙和钨）的总体位置，可以更具体地监测ITER中等离子体的的运转状态。

将这是两种不同但互补的工具用于WEST的等离子体诊断，可以为未来的融合器件研究提供重要信息，为推进全人类“人造太阳”ITER项目的进展发挥重要的作用。

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