ITER 的横截面显示了聚变系统的内壁。新的实验结果表明，将硼粉撒入容器可以保护内壁免受等离子体热量的影响。此外，新的计算机建模框架显示，粉末可能只需要从一个位置撒入。(图片来源：ITER 组织)
在聚变研究领域，钨被认为是一种理想的材料，用于制造直接面对等离子体的托卡马克聚变反应堆内部部件。然而，钨原子在聚变等离子体的高温下可能会从壁上溅射出来并进入等离子体，过多的钨会导致等离子体冷却，从而使得维持聚变反应变得困难。美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的研究人员发现，向托卡马克中撒入硼粉可能有助于解决这一问题。硼粉能够部分保护反应堆壁免受等离子体的侵蚀，并阻止壁上的原子进入等离子体。此外，PPPL研究人员开发的新型计算机建模框架表明，硼粉可能只需从一个位置撒入即可实现均匀分布。
托卡马克实验科学副主任约瑟夫·斯奈普斯(Joseph Snipes)对固体硼注入系统表示乐观，因为实验显示，固体硼注入后钨溅射现象有所减少。这些实验在全球三个拥有钨壁的托卡马克设施中进行：一个位于德国，一个位于中国，一个位于美国。
硼粉像从盐瓶中撒出的盐一样，被撒入托卡马克等离子体中，在等离子体边缘被电离，然后沉积在托卡马克的内壁和排气区域。一旦内壁被薄薄的硼层覆盖，它就会阻止钨原子进入等离子体并辐射走等离子体的能量。”
斯奈普斯及其同事正在开发的硼注入系统，最终可能被用于国际热核聚变实验堆(ITER)的反应堆级托卡马克。该系统可以在机器运行时添加硼，并且能够精确控制注入的硼量。沉积的硼层能够保留放射性元素氚，而ITER托卡马克为了遵守核安全规定，需要将氚的含量降至最低。ITER和橡树岭国家实验室的科学家和工程师也参与了这个项目。
这张 ITER 横截面图展示了颗粒注入导管和硼滴管概念设计草图。(图片来源：橡树岭国家实验室/PPPL)
PPPL的研究员物理学家弗洛里安·埃芬伯格(Florian Effenberg)领导了一个单独的项目，为DIII-D托卡马克中的硼注入系统创建了一个计算机建模框架。该框架表明，硼粉可能只需从一个位置撒入，就能在模拟域中考虑的反应堆组件上实现足够均匀的硼分布。
研究人员的方法结合了三种不同的计算机模型，创建了一个新的框架和工作流程。其中一个模型模拟等离子体的行为，另一个模型展示了硼粉末颗粒在等离子体中的运动和蒸发过程，第三个模型研究了硼颗粒如何与托卡马克壁相互作用，包括它们如何粘附、磨损和与其他材料混合。
虽然建模框架是针对DIII-D托卡马克设计的，但这项研究的下一阶段将涉及将建模框架扩展到ITER。DIII-D的壁由碳制成，而ITER计划使用钨壁，因此研究硼如何保护壁的差异非常重要。
参与Snipes描述工作的研究人员还包括：Larry Robert Baylor、Alessandro Bortolon、Florian Effenberg、Erik Gilson、Alberto Loarte、Robert Lunsford、Rajesh Maingi、Steve Meitner、Federico Nespoli、So Maruyama、Alexander Nagy、Zhen Sun、Jeff Ulreich和Tom Wauters。这项工作的资金由ITER组织提供。
Klaus Schmid、Federico Nespoli和Yühe Feng参与了Effenberg在本发布中描述的建模框架的工作。Alessandro Bortolon、Jeremy Lore、Tyler Abrams、Brian Grierson、Rajesh Maingi和Dmitry Rudakov为该建模框架的应用做出了贡献。这项工作是在DE-AC02-09CH11466、DE-FC02-04ER54698和DE-AC05-00OR22725的资助下完成的。
