钨同位素有助于研究核聚变设备内部腐蚀情况以采取针对性防护措施

未来核聚变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不受等离子体产生的热通量的作用?钨同位素有助于研究核聚变设备内部腐蚀情况以采取针对性防护措施。

能源部橡树岭国家实验室的Zeke Unterberg和他的团队目前正在研究最主要的候选材料:钨,其在元素周期表中的所有金属中熔点最高,蒸气压最低,而且抗拉强度非常高。他们专注于理解钨在聚变反应堆中的工作原理。聚变反应堆是一种将轻原子加热到比太阳核更高温度的装置,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。

钨同位素有助于研究核聚变设备内部腐蚀情况以采取针对性防护措施

研究人员使用了富集钨同位素W-182和未改性同位素来追踪偏滤器内部钨的腐蚀,迁移和再沉积。观察钨在分流器内的运动(真空室中旨在转移等离子体和杂质的区域)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。富集钨同位素具有与常规钨相同的物理和化学性质。在DIII-D进行的实验使用了涂有富集同位素的小金属插件,该金属插入物位于最高热通量区域附近,不在最高热通量区域处,该区域通常被称为分散器远靶区。另外,在一个具有最高通量的分流区,即打击点,研究人员使用了带有未改性同位素的插件。DIII-D腔室的其余部分装有石墨。

这张照片显示了位于圣地亚哥的General Atomics DIII-D国家核聚变设施腔室内部,ORNL研究人员在该处测试了钨在防护聚变装置内部的适用性。
这张照片显示了位于圣地亚哥的General Atomics DIII-D国家核聚变设施腔室内部,ORNL研究人员在该处测试了钨在防护聚变装置内部的适用性。
此图显示了DIII-D托卡马克内部安装的浅灰色钨石墨砖-左侧富集钨,右侧为天然钨。
此图显示了DIII-D托卡马克内部安装的浅灰色钨石墨砖-左侧富集钨,右侧为天然钨。

通过这种设置,研究人员可以使用临时插入腔室内的特殊探针收集样品,以测量进出腔室装甲的杂质流量,这可以使他们更准确地了解从分流器泄漏到腔室内的钨在何处存在。

这是在融合设备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材料相互作用引起的杂质保留在分流器中,并且不污染用于产生聚变的磁体约束的核心等离子体。

Unterberg小组发现,正如他们所期望的那样,将钨置于远离高通量触击点的位置时,暴露于具有较高能量含量和每个事件与表面接触的低频ELM时,大大增加了污染的可能性。此外,研究小组发现,该偏滤器远目标区域更容易受到SOL的污染,即使它的通量通常低于击穿点。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偏滤器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-材料相互作用研究提供了重要工具。能源部科学办公室(融合能源科学)为这项研究提供了支持。

该小组于今年初在《核聚变》杂志上在线发表了研究报告。

该研究可能会立即使目前在法国卡达拉奇正在建设的欧洲联合环(JET)和ITER受益。

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