橡树岭国家实验室 ORNL的研究人员使用天然钨(黄色)和富集钨(橙色)来追踪钨的侵蚀、迁移和再沉积
钨是聚变装置内部装甲的主要选择
信用:杰米·贾尼加/ORNL 未来核聚变能源反应堆的内部将是地球上最恶劣的环境之一
什么足够强大来保护聚变反应堆内部免受等离子体产生的热流影响，就像航天飞机重返地球大气层一样？ 能源部橡树岭国家实验室的齐克·奥特伯格和他的团队目前正在研究领先的候选元素:钨，它是元素周期表中熔点最高、蒸汽压最低的金属，同时具有很高的抗拉强度——这些特性使它非常适合长期使用
他们专注于理解钨在聚变反应堆中是如何工作的，聚变反应堆是一种将轻原子加热到比太阳核心更高温度的装置，这样它们就能聚变并释放能量
聚变反应堆中的氢气被转化为氢等离子体——一种由部分电离气体组成的物质状态——然后被强磁场或激光限制在一个小区域内
“你不会想把只能维持几天的东西放进你的反应堆，”ORNL聚变能源部门的高级研究科学家Unterberg说
“你要有足够的寿命
我们把钨放在预计会有非常高的等离子轰击的区域
" 2016年，Unterberg和他的团队开始在托卡马克上进行实验，这是一个聚变反应堆，使用磁场来容纳一圈等离子体，位于圣地亚哥的美国能源部科学办公室用户设施DIII-D国家聚变设施
他们想知道钨是否可以用来保护托卡马克的真空室，使其免受等离子体的快速破坏，而不会严重污染等离子体本身
这种污染，如果没有得到充分的控制，最终可能会熄灭聚变反应
“我们试图确定腔室中哪些区域会特别糟糕:钨最有可能产生可能污染等离子体的杂质，”Unterberg说
为了找到这一点，研究人员使用钨的富集同位素W-182，以及未修饰的同位素，来追踪偏滤器内钨的侵蚀、运输和再沉积
观察钨在偏滤器中的运动——偏滤器是真空室中设计用来转移等离子体和杂质的区域——让他们更清楚地了解钨是如何从托卡马克表面侵蚀并与等离子体相互作用的
富集的钨同位素具有与普通钨相同的物理和化学性质
DIII-D的实验使用了涂有富集同位素的小金属插件，这些插件靠近但不在最高热流区，即容器中通常称为偏滤器远靶区的区域
另外，在通量最高的偏滤器区域，即撞击点，研究人员使用了含有未改性同位素的插入物
DIII-D室的其余部分用石墨包裹
这种装置使研究人员能够在临时插入腔室的特殊探针上收集样本，以测量进出容器装甲的杂质流，这可以让他们更精确地了解从偏滤器泄漏到腔室中的钨的来源
“使用浓缩同位素给了我们一个独特的指纹，”Unterberg说
这是第一次在聚变装置中进行这样的实验
一个目标是确定用于室装甲的这些材料的最佳材料和位置，同时保持由等离子体-材料相互作用引起的杂质主要包含在偏滤器中，并且不污染用于产生聚变的磁体限制的堆芯等离子体
偏滤器的设计和操作的一个复杂因素是由边缘定域模式引起的等离子体中的杂质污染
其中一些快速高能事件，类似于太阳耀斑，可以损坏或摧毁船只部件，如偏滤器板
ELMs的频率，即这些事件每秒发生的次数，是从等离子体释放到墙壁的能量的指标
在每次喷发中，高频电解金属锰可以释放少量的等离子体，但是如果电解金属锰不太频繁，每次喷发释放的等离子体和能量就很高，损坏的可能性就更大
最近的研究已经找到了控制和提高电解金属锰频率的方法，例如用丸粒注入或非常小的附加磁场
Unterberg的团队发现，正如他们所料，钨远离高通量撞击点，当暴露在低频电解金属锰中时，污染的可能性大大增加，因为低频电解金属锰的能量含量和每次事件的表面接触更高
此外，研究小组发现，这个偏滤器远目标区域更容易污染SOL，尽管它的通量通常比撞击点低
这些看似违反直觉的结果正被正在进行的偏滤器建模工作所证实，该建模工作与该项目和未来的DIII-D实验有关
该项目涉及来自北美各地的一组专家，包括来自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、通用原子公司、奥本大学、加州大学圣地亚哥分校、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的合作者，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(聚变能源科学)为这项研究提供了支持
该团队今年早些时候在《核聚变》杂志上在线发表了研究
这项研究可能会立即使联合欧洲圆环(JET)和ITER受益，它们现在都在法国的卡德拉奇建造中，都使用钨装甲作为偏滤器
“但我们正在关注ITER和喷气之外的东西——我们在关注未来的聚变反应堆，”Unterberg说
“钨最好放在哪里，而钨不应该放在哪里？我们的最终目标是在聚变反应堆到来时，以一种聪明的方式为它们装甲
" Unterberg说，ORNL独特的稳定同位素小组开发并测试了浓缩同位素涂层，然后将其制成对实验有用的形式，使得这项研究成为可能
他说，除了ORNL的国家同位素开发中心，这种同位素在任何地方都是不可获得的，该中心储存了几乎所有同位素分离的元素
“ORNL对这类研究有独特的专业知识和特殊的愿望，”Unterberg说
“我们在开发同位素并将其用于世界各地不同应用的各种研究方面有着悠久的传统
" 此外，ORNL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偏滤器中可能会影响堆芯的污染
他们从理论上说，不同的偏滤器几何形状可以将等离子体-材料相互作用对核心等离子体的影响降至最低
知道偏滤器的最佳形状——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更近一步
“如果我们，作为一个社会，说我们希望核能出现，我们希望进入下一个阶段，”Unterberg说，“核聚变将是圣杯
"
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