宾夕法尼亚州立大学加布里埃尔·斯图尔特 受损钨的横截面显示熔化、部分熔化和未受损的层
荣誉:利·温弗瑞 在托卡马克中，磁约束装置正被探索用作核聚变反应堆，异常事件可以引起地球表面太阳辐射强度1000万倍的能量转移
这些事件会对结构部件造成损坏，潜在地威胁到托卡马克的寿命
宾夕法尼亚州立大学的研究人员最近发表了一篇关于在实验室模拟这些条件的论文，没有使用托卡马克，来研究这种极端热负荷对钨的影响
他们在10月10日的《新公共杂志材料降解》上发表了他们的发现
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肯和玛丽·艾利丝·林德奎斯特核工程系副教授利·温弗瑞说:“为了让聚变能真正发挥作用，而不仅仅是在理论上发挥作用，我们需要了解一些材料如何比其他材料更好地存活。”
“这项研究让我们对这个问题有了更好的了解
" 当托卡马克运行时，高能等离子体以环形流过它的腔室，受到磁场的限制，因此等离子体——通常温度为几亿华氏度——不会接触到托卡马克的壁
称为分流器的装置与等离子体的一部分接触，以去除废物
分流器必须能够承受来自典型托卡马克操作的热传递以及由等离子体不稳定性产生的异常事件，类似于太阳表面爆发的太阳耀斑
这些异常会在几毫秒到几分钟的时间内产生极端的热负荷
研究人员研究了这些异常事件对钨的影响，钨是一种正在探索用于托卡马克聚变反应堆分流器的金属
钨的熔点是所有纯元素中最高的，它吸收热量后具有很高的散热能力
这项研究的实验部分是在佛罗里达大学进行的，温弗瑞曾在那里担任教师
钨被用作绝缘管的内衬，绝缘管的内径为4毫米，约为芝麻的长度，外径为6毫米
9毫米
电荷以百万分之一到二秒的间隔脉冲通过管子
电流在小面积和短时间内的供应产生了弧形等离子体的羽流，这产生了管表面的能量流，称为热通量，高达46
每平方米3吉瓦
相比之下，需要400多台风力涡轮机才能以1千兆瓦的速度产生能量
样品在四种不同的热通量下测试，完全冷却后用扫描电子显微镜分析
虽然不同的热流照射造成的损伤程度不同，但每一次照射都会在钨的横截面上形成三个不同的层
第一层由完全熔化并重新凝固的钨组成，第二层已经部分熔化，未损坏的钨构成第三层
不同层之间的微观特征不同
第一层包含许多特征，包括玫瑰形状的结构、由剪切和热应力形成的小空隙、在电脉冲过程中转移的铜纳米粒子以及称为晶粒的微小晶体群的新生长
第二层部分熔化的层显示出许多朝向热源排列的空隙和较少朝向热源排列的柱状晶粒
在第三层，颗粒通过附着更小的颗粒而变得更大，就像雨滴滑下窗户会与其他雨滴碰撞形成更大的雨滴一样
根据温弗瑞的说法，因为这些微观特征中的每一个都可以归因于特定的原因，所以这些细节可以让研究人员深入研究如何设计在聚变环境中具有更好生存能力的材料
“这些层的特征可以追溯到一个物理过程，”温弗瑞说
“当你知道是什么物理机制导致了这些微特征时，你就可以开始改变材料的制作方式，使其能够抵抗这种破坏
"
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