如何为未来的聚变反应堆装甲以保护地球上从未出现过的最恶劣的环境之一

ORNL研究人员使用天然钨（黄色）和富钨（橙色）来追踪钨的腐蚀，迁移和再沉积。钨是铠装聚变设备内部的主要选择。

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免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）的力量？

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化合物一起工作：钨，其在元素周期表中的所有金属中熔点最高，蒸气压最低，并且具有非常高的拉伸强度-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聚变能源部门的高级研究人员Unterberg说：“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。我们将钨放在预计会有很高等离子轰击的区域。”

2016年，温特伯格（Unterberg）及其团队开始在位于美国圣地亚哥的DOE科学办公室DIII-D国家聚变设施,的聚变反应堆托卡马克中进行实验，该聚变反应堆使用磁场来容纳等离子体环。他们想知道是否可以使用钨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。”

这张照片显示了位于圣地亚哥的General Atomics DIII-D国家核聚变设施的容器内部，ORNL研究人员在该处测试了钨在装甲聚变装置内部的适用性。

为了发现这一点，研究人员使用了丰富的钨同位素W-182以及未修饰的同位素来追踪钨在tor石中的腐蚀，迁移和再沉积。查看钨在蠕动装置中的运动-真空室内的一个区域，该区域设计用于等离子体和杂质的掺杂-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的实验中，使用了涂有富集同位素的小金属插件，该插件位于最高热通量区域附近，但不在最高热通量区域处，该区域通常称为容器的远射靶区域。另外，研究人员在通量最高的Pertor区域（触击点）使用了未修饰同位素的刀片。DIII-D腔室的其余部分装有石墨。

这种设置使研究人员可以在临时插入腔室中的特殊探针上收集样品，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蠕动器泄漏到腔室中的钨在何处具有起源。

温特伯格说：“使用富集的同位素为我们提供了独特的指纹。”

这是在融合装置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与材料相互作用引起的杂质保持在Pertor中，并且不污染用于产生聚变的磁体约束的核心等离子体。

此图显示了安装在DIII-D托卡马克内部的浅灰色钨石墨砖，左侧为富钨，右侧为天然钨。在安装之前，将瓷砖放置在金属插件中。

振子的设计和操作的一个复杂之处是由边缘定位模式或ELM引起的等离子体中的杂质污染。其中一些类似于太阳耀斑的快速，高能事件可能会损坏或破坏血管组件（例如，pertor板）。ELM的频率（这些事件每秒发生的时间）指示从等离子体释放到壁的能量。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，例如通过颗粒注入或以很小的幅度施加额外的磁场。

Unterberg的小组发现，正如他们所期望的那样，将钨远离高通量触击点会大大增加当暴露于具有较高能量含量和每次事件与表面接触的低频ELM时被污染的可能性。此外，研究小组发现，尽管Pertor的通量通常比打击点低，但该Pertor远靶区域更容易受到SOL的污染。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pertor建模工作以及未来在DIII-D上的实验所证实。

该项目由来自北美各地的专家团队组成，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，因为它为等离子体与材料相互作用的研究提供了重要的工具。美国能源部科学办公室（融合能源科学）为这项研究提供了支持。

该小组于今年早些时候在《核聚变》杂志上在线发表了研究报告。

这项研究可能会立即使现在在法国卡达拉奇建造的欧洲联合圆环或JET和ITER受益，这两个都使用钨装甲作为Pertor。

Unterberg说：“但是，我们正在研究ITER和JET以外的事物–我们正在研究未来的聚变反应堆。”“最好在哪里放钨，不应该在哪里放钨？我们的最终目标是以聪明的方式给聚变反应堆装甲。”

温特伯格说，ORNL独特的稳定同位素小组（在将浓缩同位素涂层制成对实验有用的形式之前对其进行开发和测试）使这项研究成为可能。他说，只有从ORNL的国家同位素开发中心那里才能找到该同位素，该中心拥有几乎所有同位素分离的元素的储备。

Unterberg说：“ ORNL对这类研究具有独特的专业知识和特殊需求。”“我们拥有开发同位素并将其用于世界各地不同应用的各种研究中的悠久历史。”

此外，ORNL还管理美国ITER。

接下来，研究小组将研究如何将钨放入不同形状的per中可能会影响铁芯的污染。他们推论说，不同的pertor几何形状可以使等离子体-材料相互作用对核心等离子体的影响最小化。知道最佳的Perter形状-电磁约束等离子体设备的必要组件-将使科学家离可行的等离子体反应器仅一步之遥。

温特伯格说：“如果我们作为一个社会，说我们希望发生核能，并且想进入下一阶段，那么融合将是圣杯。”

参考：E.A.“在DIII-D上的边缘局部模式y H模式放电期间，使用同位素钨源进行局部pertor泄漏测量”。Unterberg，T.Abrams，I.Bykov，D.C. Donovan，J.D. Duran，J.D. Elder，H.Y.郭E霍尔曼（C.J.拉斯尼尔（A.W.）伦纳德（AL）莫瑟（J.H.尼科尔斯（R.E.）Nygren，D.L.鲁达科夫（P.C.）Stangeby，D.M.托马斯（BS）维克多沃特金斯Wampler，硕士扎克（Sach）艾伦（J.L.巴顿（L.R.R.）贝勒（J.A.）Boedo，A.R.布里斯迈斯特（D.A.）Buchenauer，J.D. Coburn，C.P.Chrobak，R.Ding，D.A.恩尼斯（BA）E.T. Grierson辛森（加拿大）约翰逊（A.G.）麦克莱恩（T.W.）Petrie，O.Schmitz，D.Shiraki，H.Q.王，Wilcox和S.Zamperini，2019年11月27日，核聚变。
10.1088 / 1741-4326 / ab537b