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钨同位素有助于研究如何为未来的聚变反应堆装甲

2020-09-07 20:16:29

未来的核聚变能反应堆内部将是地球上有史以来最恶劣的环境之一。有什么足以保护聚变反应堆内部不受等离子体产生的热通量(类似于重新进入地球大气层的航天飞机)的作用?

能源部橡树岭国家实验室(Zeke Unterberg)和他的团队目前正在与领先的候选人一起工作:钨,其元素周期表中所有金属的熔点最高,蒸气压最低,而且抗拉强度非常高-使其很适合长时间滥用的属性。

他们专注于理解钨在聚变反应堆中的工作方式。聚变反应堆是一种将轻原子加热到比太阳核高的温度的装置,以便它们融合并释放能量。聚变反应堆中的氢气转化为氢等离子体(一种由部分电离的气体组成的物质状态),然后通过强磁场或激光将其限制在一个小区域内。

ORNL聚变能事业部的高级研究人员Unterberg表示:“您不想在反应堆中放一些只能持续几天的东西。” “您想拥有足够的寿命。我们将钨放在我们预计会有很高等离子轰击的区域。”

2016年,Unterberg及其团队开始在位于美国圣地亚哥的DOE科学办公室的DIII-D国家聚变设施Dok-D National Fusion Facility ,在一个利用磁场包含等离子体环的聚变反应堆托卡马克中进行实验 。他们想知道是否可以使用钨来加固托卡马克的真空室-保护它免受等离子作用引起的快速破坏-而不会严重污染等离子本身。如果不能充分控制,这种污染最终将使聚变反应熄灭。

Unterberg说:“我们正在尝试确定腔室内的哪些区域特别糟糕:钨极有可能在该区域产生会污染等离子体的杂质。”

为了发现这一点,研究人员使用了丰富的钨同位素W-182和未修饰的同位素来追踪偏滤器内部钨的腐蚀,迁移和再沉积。查看钨在分流器内的运动-真空室内的一个用于转移等离子体和杂质的区域-使他们更清楚地了解钨如何从托卡马克内部腐蚀并与等离子体相互作用。富集的钨同位素具有与常规钨相同的物理和化学性质。在DIII-D进行的实验使用了涂有富集同位素的小金属插入物,该金属插入物位于最高热通量区域附近,但不在最高热通量区域处,该区域通常被称为分散器远目标区域。另外,在通量最大的偏滤器区域,触击点 研究人员将插入物与未修饰的同位素一起使用。DIII-D腔室的其余部分装有石墨。

通过这种设置,研究人员可以使用临时插入腔室内的特殊探针收集样品,以测量进出船只装甲的杂质流,这可以使他们更准确地了解从分流器泄漏到腔室内的钨在何处存在。起源。

温特伯格说:“使用富集的同位素为我们提供了独特的指纹。”

这是在融合设备中进行的第一个此类实验。一个目标是确定这些材料用于腔室装甲的最佳材料和位置,同时将主要由等离子体材料相互作用引起的杂质保留在分流器中,并且不污染用于产生聚变的磁体约束的核心等离子体。

分流器的设计和操作的一个复杂之处是等离子体的杂质污染是由边缘定位模式或ELM引起的。其中一些类似于太阳耀斑的快速,高能事件会损坏或破坏分流板等船只部件。ELM的频率,即这些事件每秒发生的时间,是从等离子体释放到壁的能量数量的指标。高频ELM每次喷发可释放少量血浆,但如果ELM频率较低,则每次喷发释放的血浆和能量较高,损坏的可能性更大。最近的研究已经研究了控制和增加ELM频率的方法,例如通过 小颗粒注入 或 其他很小的磁场。

Unterberg小组发现,正如他们所期望的那样,将钨置于远离高通量触击点的位置时,暴露于具有较高能量含量和每个事件与表面接触的低频ELM时,大大增加了污染的可能性。此外,研究小组发现,该偏滤器远目标区域更容易受到SOL的污染,即使它的通量通常低于击穿点。这些看似违反直觉的结果已被与该项目有关的正在进行的偏滤器建模工作以及未来在DIII-D上的实验所证实。

该项目由来自北美的专家团队组成,其中包括普林斯顿等离子体物理实验室,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室,桑迪亚国家实验室,ORNL,通用原子,奥本大学,加利福尼亚大学圣地亚哥分校,多伦多大学,田纳西大学诺克斯维尔分校和威斯康星大学麦迪逊分校,因为它为等离子体-材料相互作用研究提供了重要工具。