普林斯顿等离子体物理实验室的研究人员正在探索氘（一种潜在的聚变燃料）在聚变反应堆中与硼涂层壁的相互作用。
他们在燃料保留以及碳在燃料捕获中所扮演的问题角色等方面的发现，正在为更高效的聚变系统（如法国的ITER）铺平道路。
聚变能与等离子体相互作用
要创建一个实用的聚变动力系统，科学家必须了解等离子体燃料如何与其周围环境相互作用。在聚变反应堆中，等离子体被超高温加热，导致一些原子与反应堆壁发生碰撞并嵌入其中。测量有多少燃料被俘获，对于维持效率和最小化放射性积聚至关重要。
“墙体中滞留的燃料越少，积聚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）研究物理学家兼工作人员Shota Abe说道。
硼在聚变系统中的作用
阿贝（Abe）领导了一项新研究，相关成果已发表在《核材料与能源》（Nuclear Materials and Energy）上。该研究探讨了氘（最有前景的融合燃料之一）被托卡马克装置硼涂层石墨壁吸收的量。托卡马克装置是一种环状聚变容器。硼常被用于实验聚变系统以减少等离子体杂质，但其对燃料保留的影响仍不明确。研究人员正在努力确定有多少氘会离开等离子体并嵌入反应堆壁，这对未来聚变反应堆具有重大影响。
“了解硼涂层如何与氘发生相互作用，有助于我们改进未来聚变发电厂（如ITER）的材料，”Abe 介绍道。ITER 是一项正在法国建造的国际设施，将研究能够自行加热并维持自身聚变反应的等离子体。
除了来自普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的研究人员外，来自全国各地机构的一大批专家也为这项关于燃料滞留的新研究做出了贡献，其中包括来自普林斯顿大学、加州大学圣地亚哥分校、通用原子能公司、田纳西大学诺克斯维尔分校和桑迪亚国家实验室的研究人员。他们在世界范围内处于领先地位的工作，对于实现核聚变成为商业规模上可行的电力来源至关重要。
尝试用氘代替氚进行实验
在商业聚变系统中，燃料很可能是由氘和氚组成的，它们都是氢的同位素。氚具有放射性，而氘则没有。因此，由于氘和氚在许多方面都很相似，实验便用氘来代替氚。但在商业规模的聚变系统中，氚是一种必须小心处理的元素。
“设备中任何时间点能容纳的氚量都有着极为严格的限制。一旦超过这个限制，一切都将停止，执照也会被吊销。”普林斯顿等离子体物理实验室的主要研究物理学家兼管理负责人亚历山德罗·博托隆说道，他也参与了这项工作。“因此，如果你想让反应堆运转，就必须确保你的氚量计算准确无误。一旦超过限制，反应堆就无法运转了。”
解决聚变系统中的碳挑战
有趣的是，研究人员表示，导致燃料滞留的主要原因并非硼涂层，而是碳。实验中，即使只有少量碳也会增加样品中氘燃料的滞留量。这些硼膜样品是在通用原子能公司的托卡马克装置DIII-D中，使用含有硼和氘（以及一些杂质）的气体产生的等离子体制造的。碳和硼能够紧密地结合在一起并吸附氘，需要达到华氏1000度左右的高温才能打破这种结合，因此，要在不损坏聚变系统的情况下移除燃料极具挑战性。
“碳确实是罪魁祸首，”普林斯顿等离子体物理实验室 (PPPL) 的研究物理学家弗洛里安·埃芬伯格 (Florian Effenberg) 说道，同时他也是该论文的合著者之一。“碳的含量必须降至最低。虽然我们无法将其降至零，但我们会利用一切手段尽可能减少碳的含量。”
事实上，暴露在含有少量碳污染物的等离子体中会显著增加氘的含量。研究人员发现，样品中每捕获5个单位的硼，就会捕获2个单位的氘。
核聚变能源的未来影响
实验采用了DIII-D聚变系统，该系统目前的墙壁由石墨（碳的一种形态）制成。埃芬伯格（Effenberg）说：“我们想清除所有的碳，换成干净的钨墙。”以确保计算数据与ITER中的实际情况更为接近。
这项研究的一个优势是，部分样本曾在DIII-D聚变容器中接触过等离子体。该容器是几个实验性托卡马克装置之一，它利用磁场将等离子体维持在环状。考虑到研究表明，即使是微量碳也会导致托卡马克装置器壁滞留的氚量大幅增加，因此这一研究结果对未来聚变电厂满足监管限制具有重要意义。
参考文献：《DIII-D偏滤器表面硼化膜的氘滞留行为》，作者：阿部翔太、迈克尔·J·西蒙兹、亚历山德罗·波尔多隆、弗洛里安·埃芬伯格、伊戈尔·拜科夫、任俊、德米特里·L·鲁达科夫、瑞安·胡德、艾伦·W·海亚特、林子涵、泰勒·亚伯兰斯，发表于2024年12月25日，《核材料与能源》。DOI：10.1016/j.nme.2024.101855
参与该项目的其他研究人员还包括迈克尔·西蒙兹、伊戈尔·拜科夫、任军、德米特里·鲁达科夫、瑞安·胡德、艾伦·海亚特、林子涵和泰勒·亚伯兰斯。本研究得到了美国能源部 (Department of Energy) 聚变能源科学办公室颁发的 DE-FC02-04ER54698、DE-AC02-09CH11466、DE-SC0022528、DE-SC0022528 和 DE-SC0023378 奖项的支持。
