钨是托卡马克核聚变反应堆的首选材料，但由于溅射会冷却等离子体，使核聚变难以持续，因此钨的应用面临挑战。PPPL的研究人员建议，在托卡马克中撒入硼粉末可以通过屏蔽墙壁和防止钨进入等离子体来防止这种情况。 最近在全球范围内进行的托卡马克实验和一个新的计算机模型都支持硼粉在维持核聚变最佳等离子体条件方面的潜力。

聚变研究人员越来越倾向于将钨作为聚变反应堆内直接面对等离子体的部件的理想材料，例如托卡马克和仿星器。 然而，在核聚变等离子体的高温作用下，钨原子会从反应堆壁溅射到等离子体中。 过量的钨会大大降低等离子体的温度，对维持核聚变反应构成挑战。

美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的研究人员现在有实验证据表明，在托卡马克中引入硼粉可以解决这个问题。 硼能部分屏蔽反应堆壁与等离子体的接触，防止壁原子污染等离子体。 此外，PPPL 研究人员开发的一种新计算机建模框架表明，硼粉可能只需要从一个点施加。 这些发现和新的建模方法最近在亚特兰大举行的美国物理学会等离子体物理分会第66届年会上进行了展示。

这幅热核实验堆横截面图显示了颗粒注入导管和硼滴管的概念设计草图。 资料来源：橡树岭国家实验室/PPPL

托卡马克实验科学部副主任约瑟夫-斯奈普斯（Joseph Snipes）对固体硼注入系统持乐观态度，因为实验证明，在注入固体硼之后，钨溅射会减少。 这些实验在全球三个钨壁托卡马克中进行：一个在德国，一个在中国，一个在美国。

他说："硼以粉末状洒入托卡马克等离子体，就像从盐罐中洒出的一样，在等离子体边缘电离，然后沉积在托卡马克的内壁和排气区域。涂上一层薄薄的硼，就能阻止钨进入等离子体并辐射掉等离子体的能量。"

斯奈普斯和他的同事们正在研究硼注入系统，最终目标是将其用于ITER组织的反应堆级托卡马克。 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。 它还能精确控制和限制硼的注入量。 沉积的硼层会保留放射性元素氚，而在热核实验堆托卡马克中必须尽量减少氚的含量，以符合核安全要求。 来自热核实验堆和橡树岭国家实验室的科学家和工程师也在这个项目上进行了合作。

PPPL 的研究物理学家 Florian Effenberg 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计算机建模框架。

"我们已经开发出一种新方法，可以了解注入的硼材料在聚变等离子体中的表现，以及它如何与聚变反应堆壁相互作用，使反应堆在运行时保持良好状态。"

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，另一个模型展示硼粉颗粒如何在等离子体中移动和蒸发，第三个模型研究硼颗粒如何与托卡马克壁相互作用，包括它们如何粘附、磨损以及与其他材料混合，"Effenberg 说。"这些见解对于优化硼注入策略，在ITER和其他聚变反应堆中实现有效、均匀的壁调节至关重要。"

虽然建模框架研究的是DIII-D（由位于圣地亚哥的通用Atomics公司运行的托卡马克），但这项研究的下一阶段涉及将建模框架扩展到ITER。 DIII-D 的炉壁由碳制成，而热核实验堆计划采用钨壁，因此研究硼如何保护炉壁的任何差异将非常重要。

编译自/ScitechDaily