CNE 上海核博会
中国国际核聚变与核能源产业大会暨博览会
2025年7月16-18日 中国-上海

普林斯顿等离子体物理实验室发现维持核聚变的关键材料:硼

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钨作为托卡马克聚变反应堆首选材料,因其溅射冷却等离子体的问题而面临挑战,这使得维持聚变变得困难。

普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的研究人员提出,将硼粉撒入托卡马克中可以防止这一问题,通过屏蔽墙壁并阻止钨进入等离子体。最近在全球多个托卡马克上进行的实验以及一个新的计算机模型都支持了硼粉在保持聚变所需最佳等离子体条件方面的潜力。

钨与聚变挑战

随着聚变研究的发展,钨正越来越受到青睐,成为直接面对聚变反应堆内等离子体组件的理想材料,例如托卡马克和仿星器。然而,在聚变等离子体的高温下,钨原子可以从反应堆壁面溅射到等离子体中。过多的钨会显著冷却等离子体,这对维持聚变反应构成了挑战。

美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的研究人员现在有了实验证据,表明将硼粉引入托卡马克可以解决这个问题。硼部分地屏蔽了反应堆壁面免受等离子体影响,并阻止了壁面原子污染等离子体。此外,PPPL研究人员开发的新计算机模拟框架表明,硼粉可能只需要从一个点施加。这些发现及新的模拟方法最近在美国物理学会等离子体物理分会第66届年度会议上进行了展示。

硼解决方案的应用

托卡马克实验科学副主管约瑟夫·斯尼普斯对基于实验展示了减少钨溅射的固体硼注入系统的前景感到乐观。这些实验在全球三个钨壁托卡马克中进行:一个位于德国,一个位于中国,另一个位于美国。

“硼粉像盐一样被撒入托卡马克等离子体中,在等离子体边缘被电离,然后沉积在托卡马克的内壁和排气区域,”他说。“一旦覆盖了一层薄薄的硼,它就会阻止钨进入等离子体并辐射走等离子体的能量。”

斯尼普斯和他的同事们正在开发硼注入系统,最终目标是可能将其用于ITER组织的反应堆规模托卡马克。该注入系统非常适合这项任务,因为它可以在机器运行时添加硼,同时还可以精确控制和限制注入的硼量。沉积的硼层保留了放射性元素氚,必须在ITER托卡马克中最小化以符合核安全要求。ITER组织和橡树岭国家实验室的科学家和工程师也参与了该项目。

硼注入建模的进展

PPPL的工作人员研究物理学家弗洛里安·埃芬贝格领导了一个单独的项目,为DIII-D托卡马克中的硼注入系统创建了一个计算机模拟框架。该框架建议,仅从一个位置撒硼粉就可能为模拟域中考虑的反应堆部件提供足够均匀的硼分布。

“我们开发了一种新的方法来理解注入的硼材料在聚变等离子体中的行为,以及它如何与聚变反应堆的壁面相互作用,以保持它们在运行中的良好状态,”埃芬贝格说。

下一步和ITER考量

研究人员的方法结合了三种不同的计算机模型,创建了一个新的框架和工作流程。“一个模型模拟等离子体的行为,另一个显示硼粉颗粒在等离子体中的移动和蒸发,第三个则检查硼颗粒如何与托卡马克壁面相互作用,包括它们如何粘附、磨损以及与其他材料混合,”埃芬贝格说。

“这些见解对于优化硼注入策略至关重要,以实现有效且均匀的壁面调节,特别是在ITER和其他聚变反应堆中,”埃芬贝格补充道。

虽然建模框架研究的是DIII-D,这是一个位于圣地亚哥的通用原子能公司运营的托卡马克,其壁面由碳制成,但下一步研究将涉及将建模框架扩展至ITER。ITER计划使用钨壁面,因此研究硼如何保护壁面的任何差异将非常重要。

会议:美国物理学会等离子体物理分会年度会议

斯尼普斯描述的工作还得到了以下研究人员的贡献:劳瑞·罗伯特·贝耶尔、阿莱桑德罗·博尔托隆、弗洛里安·埃芬贝格、埃里克·吉尔森、阿尔贝托·洛亚特、罗伯特·伦斯福德、拉杰什·梅因吉、史蒂夫·梅特纳、费德里科·内斯波利、丸山素、亚历山大·纳吉、孙臻、杰夫·乌尔里希和汤姆·沃特斯。这项工作的资金由ITER组织提供。

克劳斯·施密德、费德里科·内斯波利和冯玉赫参与了埃芬贝格在此新闻稿中描述的建模框架的工作。阿莱桑德罗·博尔托隆、杰里米·洛尔、泰勒·阿布拉姆斯、布莱恩·格里森、拉杰什·梅因吉和德米特里·鲁达科夫对应用该建模框架做出了贡献。这项工作得到了DE-AC02-09CH11466、DE-FC02-04ER54698和DE-AC05-00OR22725的资金支持。

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