新的研究提供了可以帮助减少嵌入在聚变容器壁上的放射性氚的数量的见解。
为了开发一个实用的聚变能源系统，科学家们需要充分了解等离子体燃料如何与其周围环境相互作用。等离子体被过热，这意味着涉及的一些原子可能会撞击聚变容器的壁并嵌入其中。为了保持系统的高效运行，了解可能被困的燃料量是很重要的。
“壁中被困的燃料越少，堆积的放射性物质就越少，”美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的研究物理学家阿贝（Shota Abe）说。
阿贝是发表在《核材料与能源》杂志上的新研究的主要研究者。该研究专门考察了有多少氘——被认为是聚变最佳燃料之一——可能会卡在一种被称为托卡马克的甜甜圈形状聚变容器的涂有硼的石墨壁中。硼被用于一些实验性聚变系统中，以减少等离子体杂质。然而，研究人员尚未完全理解硼涂层如何影响离开等离子体并嵌入容器壁中的聚变燃料的数量。
阿贝说：“理解硼涂层如何与氘相互作用可以帮助我们改善未来聚变电厂的材料，例如国际热核聚变实验反应堆（ITER）。” ITER是正在法国组装的多国设施，将研究可以自我加热并维持自身聚变反应的等离子体。
除了PPPL的研究人员，来自全国各地的众多专家也参与了这项新的燃料保留研究，包括普林斯顿大学、加利福尼亚大学圣地亚哥分校、通用原子能公司、田纳西大学和桑迪亚国家实验室的研究人员。他们的世界领先工作对使聚变成为商业规模电力的可行来源至关重要。
氘在实验中也代表氚
在商业聚变系统中，燃料可能由氘和氚组成，它们都是氢的不同形式。氚是放射性的，但氘不是。因此，这些实验将氘用作氚的替代，因为它们在许多方面是相似的。但是氚是必须在商业规模聚变系统中谨慎管理的元素。
PPPL的首席研究物理学家阿莱桑德罗·博托隆（Alessandro Bortolon）也参与了这项工作的研究，他说：“对于设备中的氚量有非常严格的限制。如果超过限度，所有工作就会停止，许可证将被撤销。因此，如果你想要一个正常运行的反应堆，需要确保氚的核算是准确的。如果超过限度，那就是致命问题。”
有趣的是，研究人员表示，被困燃料的主要原因不是硼涂层，而是碳。即使是少量碳也会增加样本中被困的氘燃料。在实验中，这些硼薄膜样本是使用由含有硼和氘（以及少量杂质）气体组成的等离子体在通用原子能公司的DIII-D托卡马克中创建的。碳和硼可以与氘紧密结合，打破这种结合需要约1000华氏度的温度，使得在不损坏聚变系统的情况下移除燃料变得非常具有挑战性。
PPPL的研究物理学家弗洛里安·埃芬贝格（Florian Effenberg）说：“碳才是真正的问题制造者。必须尽量减少碳的含量。虽然我们不能将其降至零，但我们会运用一切手段尽可能减少碳的数量。”
事实上，暴露在含有少量碳污染的等离子体中显著增加了氘的量。研究人员发现，每五个单位的硼被困在样本中，两个单位的氘也被困。
石墨瓷砖将被更换
实验中使用的DIII-D聚变系统目前的墙壁由石墨制成，石墨是一种碳的形式。“我们希望消除所有的碳，拥有干净的钨壁，”埃芬贝格说，以确保计算尽可能接近ITER将经历的情况。
这项研究的一大优势是一些样本是在DIII-D聚变容器中暴露于等离子体中。该机器是几种使用磁场将等离子体保持在甜甜圈形状的实验性托卡马克之一。鉴于研究表明，即使是微量的碳也能极大地增加托卡马克墙壁中卡住的氚的量，这一结果可能对满足未来聚变电厂的监管限制具有重要意义。
该项目的其他研究人员包括迈克尔·西蒙兹（Michael Simmonds）、伊戈尔·比科夫（Igor Bykov）、任军（Jun Ren）、德米特里·L·鲁达科夫（Dmitry L. Rudakov）、瑞安·胡德（Ryan Hood）、艾伦·海厄特（Alan Hyatt）、林子涵（Zihan Lin）和泰勒·亚伯拉罕斯（Tyler Abrams）。这项研究得到了美国能源部的聚变能源科学办公室的支持，奖项包括DE-FC02-04ER54698、DE-AC02-09CH11466、DE-SC0022528、DE-SC0022528和DE-SC0023378。
