最近的实验结果表明，向托卡马克中添加硼可能有助于保护聚变容器的壁并防止墙壁原子污染等离子体。新的计算建模方法显示，硼粉可能只需从一个点分配。这些发现和建模框架将在本周的第66届美国物理学会等离子物理分会年会上进行分享，会议将在亚特兰大举行。
从事聚变技术研究的科学家们越来越倾向于将钨作为与聚变反应堆内等离子体直接接触的组件的主要材料，这些反应堆被称为托卡马克和斯特拉拉特。但由聚变等离子体产生的极高温度可能导致钨原子从墙壁脱落并进入等离子体。等离子体中过多的钨会显著降低等离子体的温度，从而使聚变反应的维护变得复杂。美国能源部普林斯顿等离子物理实验室（PPPL）的研究人员发现，向托卡马克中引入硼粉可能有助于解决这个问题。
硼提供了一种部分屏障，保护反应堆壁不受等离子体的影响，从而减少墙壁原子进入等离子体的流入。PPPL研究人员开发的一种新的计算建模框架表明，从一个点施加硼粉可能就足够了。本周在亚特兰大举行的第66届美国物理学会等离子物理分会年会上将讨论这些实验发现和建模框架。
托卡马克实验科学副主管约瑟夫·斯奈普斯对基于实验的固态硼注入系统表示乐观，这些实验表明在注入固态硼后钨溅射减少。这些实验是在位于德国、中国和美国的三个钨壁托卡马克中进行的。
“硼以粉末形式撒入托卡马克等离子体，类似于从调味瓶中摇出盐，硼在等离子体边缘被电离，然后附着在托卡马克的内壁和排气区域，”他解释道。“一旦墙壁涂覆上一层薄薄的硼，它就会防止钨进入等离子体并消耗等离子体能量。”
斯奈普斯和他的团队正在开发硼注入系统，最终 aiming 将其应用于国际热核聚变实验反应堆（ITER）规模的托卡马克。该系统特别适用，因为它允许在机器运行时添加硼，并能准确管理注入的硼的数量。插入的硼层还保留了氚，这是一种放射性元素，其水平必须在ITER托卡马克中受到控制，以满足核安全标准。本项目得到了ITER和橡树岭国家实验室的科学家和工程师的合作。
在另一个项目中，PPPL的职员研究物理学家弗洛里安·埃芬贝格领导了一个项目，开发了为DIII-D托卡马克设计的硼注入系统的计算建模框架。来自该框架的研究结果表明，从一个位置施加硼粉可以在模拟的反应堆组件中产生足够的硼分布。
埃芬贝格表示：“我们设计了一种新的方法来理解注入的硼如何与聚变等离子体相互作用及其对聚变反应堆壁的影响，旨在在操作期间保持它们的最佳状态。”
研究人员采用的方法将三种不同的计算模型结合在一起，形成一个综合框架和工作流程。“一个模型模拟等离子体行为；另一个模型跟踪硼颗粒在等离子体中的运动和蒸发，第三个模型探讨这些颗粒如何与托卡马克墙壁相互作用，包括附着、降解以及与其他材料的混合，”埃芬贝格详细说明道。
“这些洞见对改进硼注入方法至关重要，以确保ITER及其他聚变反应堆的墙壁得到有效和均匀的调理，”埃芬贝格指出。
该建模框架专注于DIII-D，该设施由位于圣地亚哥的通用原子公司管理，而未来的研究旨在将该框架适应于ITER。考虑到DIII-D的墙壁由碳制成，而ITER将使用钨，研究硼保护墙壁的不同方式将至关重要。
多位研究人员对斯奈普斯提出的工作做出了贡献，包括拉里·罗伯特·贝勒、亚历山德罗·博托隆、弗洛里安·埃芬贝格、埃里克·吉尔森、阿尔贝托·洛阿尔特、罗伯特·伦斯福德、拉杰什·迈因吉、史蒂夫·梅特纳、费德里科·内斯波利、圆真、亚历山大·纳吉、赵真、杰夫·乌尔赖希和汤姆·瓦特斯。本研究的资助来自ITER组织。
克劳斯·施密德、费德里科·内斯波利和余赫·冯参与了埃芬贝格提到的建模框架的开发。阿尔贝托·博托隆、杰里米·洛尔、泰勒·艾布拉姆斯、布赖恩·格里尔森、拉杰什·迈因吉和德米特里·鲁达科夫对该框架的应用做出了额外贡献。该项目获得来自DE-AC02-09CH11466、DE-FC02-04ER54698和DE-AC05-00OR22725的资金支持。
