硼粉能防止鎢元素浸入，使“人造太陽”更安全

美國能源部(DOE)普林斯頓等離子物理實驗室(PPPL)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種使用絕緣硼粉（無定形元素硼）隔離鎢元素與等離子體，使托卡馬克核聚變反應(yīng)堆更安全的方法。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際原子能機構(gòu)（IAEA）的《核聚變》學(xué)術(shù)期刊上。

核聚變是驅(qū)動著太陽和恒星的能量，它以等離子體的形式將輕元素結(jié)合在一起，能產(chǎn)生大量的能量。科學(xué)家們正試圖在地球上復(fù)制核聚變的過程，以提供幾乎取之不盡的力量來進(jìn)行發(fā)電。

托卡馬克裝置是一種環(huán)形核聚變裝置，俗稱“人造太陽”。在其中，由電磁場約束的極熱的、帶電的等離子體旋轉(zhuǎn)著并產(chǎn)生幾乎無限的能量。但該裝置中的等離子體容易揮發(fā)，從具有太陽溫度的等離子體中逃逸的粒子會與包圍托卡馬克的材料發(fā)生反應(yīng)，從而降低溫度，使得等離子體核聚變反應(yīng)停止，甚至對反應(yīng)堆本身及其周圍的一切造成極大危險。因此，保證托卡馬克核聚變裝置的等離子體不受雜質(zhì)的影響至關(guān)重要。

中國全超導(dǎo)托卡馬克東方超環(huán)核聚變裝置

在托卡馬克裝置面向等離子體的那一面涂上一層硼粉，這一過程被稱為“硼化”，硼可以防止一種鎢元素透過托卡馬克裝置壁浸入等離子體，冷卻等離子體粒子，降低核聚變的反應(yīng)效率。

鎢具有高熔點、高熱導(dǎo)率、低物理濺射率、高濺射閾值能量、低燃料滯留與低中子活化等優(yōu)良特性，是聚變實驗堆及示范堆中面向等離子體材料(PFM)的首選。在托卡馬克中，為了獲得純凈的熱核聚變等離子體，必須對雜質(zhì)進(jìn)行有效控制。對雜質(zhì)的拉制主要是控制雜質(zhì)在器壁表面的產(chǎn)生、雜質(zhì)流入主等離子體區(qū)及雜質(zhì)從主等離子體中的流出問題。而鎢偏濾器的作用就是將等離子體與第一壁進(jìn)行隔絕并且對流入雜質(zhì)進(jìn)行屏蔽，作為與高溫氣體直接接觸的金屬。

但“硼化”過程缺乏安全性，該過程需要使用乙硼烷氣體來達(dá)到目的，氣體由硼和易燃易爆的氫氣制備。由于其可燃性，要使用它，科學(xué)家必須徹底停止托卡馬克，引入氣體，然后重新啟動。

核聚變托卡馬克裝置示意圖

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，硼粉的惰性特點，可以很好的解決爆炸等安全性問題。此外，硼粉可以在裝置保持運行狀態(tài)下直接添加到等離子體。這一特點對于提供穩(wěn)定電力來源來說很重要，未來的核聚變設(shè)施必須長時間不間斷地運行。而進(jìn)入等離子體內(nèi)部后，粉末的工作方式與氣體相同，可以將溫度保持在高性能區(qū)域內(nèi)，這樣可以使等離子體更穩(wěn)定并防止刮擦托卡馬克腔室的內(nèi)表面。

粉末技術(shù)還可以幫助科學(xué)家開發(fā)更簡單、更安全的等離子體反應(yīng)形式，稱為低密度等離子體。低密度可以使等離子體的不穩(wěn)定性被磁脈沖抑制，為科學(xué)家們創(chuàng)造出大范圍、可控制、更安全的等離子條件。

中國的EAST托卡馬克裝置計劃將于2020年達(dá)到2億攝氏度的高溫，這是世界同類裝置的最高水平。若此種新方法被證明有效，應(yīng)用在中國的“人造太陽”上應(yīng)該也有助于提高效率和安全性。至于所用的材料，也不會是太大問題，畢竟中國有著排行世界前五的硼資源。

PPPL物理學(xué)家Robert Lunsford表示，未來他們希望通過更多的實驗確定這些材料在注入等離子體之后的確切去向。目前假設(shè)，這些硼粉在進(jìn)入等離子體之后會和等離子體流一樣，落在托卡馬克裝置室內(nèi)的頂部和底部，如果這個假設(shè)可以得到模型的支持的話，那科學(xué)家們就會知道硼層在托卡馬克裝置內(nèi)的確切位置。