美国科学家在探索如何提高核聚变系统安全性和效率的过程中，取得了一项重要进展。近日，一项发表在《核材料与能源》杂志上的新研究，通过将样品暴露在通用原子公司的托卡马克DIII-D的过热等离子体中，深入探讨了聚变燃料在聚变容器壁上的滞留问题。
DIII-D 聚变容器内部。容器内壁上的一些瓷砖呈现出彩虹色，这些色泽来自等离子体实验期间可能卡在容器壁上的原子。(图片来源：通用原子公司)
了解等离子体如何与燃料及其周围环境相互作用，对于发展实用聚变电力系统至关重要。在聚变过程中，等离子体过热，导致一些原子可能撞击并嵌入聚变容器壁。为了保持系统高效运行，科学家需要准确评估可能被困住的燃料量。
美国能源部核能研究所研究员物理学家阿部翔太表示：“被困在壁内的燃料越少，累积的放射性物质就越少。”他是这项新研究的首席研究员，该研究特别关注了氘这种被认为是核聚变最佳燃料之一的元素，在硼涂层石墨壁中的滞留情况。硼被用于一些实验性聚变系统以减少等离子体杂质，但科学家对硼涂层如何影响聚变燃料嵌入容器壁的情况并不完全了解。
除了普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的研究人员外，来自普林斯顿大学、加州大学圣地亚哥分校、通用原子公司、田纳西大学诺克斯维尔分校和桑迪亚国家实验室的大量专家也参与了这项研究。他们的世界领先工作对于使核聚变成为商业规模的可行电力来源至关重要。
在实验中，氘被用作氚的替代品，因为氚具有放射性，而氘则没有。然而，在商用核聚变系统中，氚是一种必须小心管理的元素。PPPL的首席研究物理学家亚历山德罗·博托隆强调了对氚含量进行严格限制的重要性，超过限制将导致严重后果。
研究人员发现，燃料滞留的主要原因并非硼涂层，而是碳。即使是少量的碳也会增加样品中滞留的氘燃料量。碳和硼可以紧密地结合到氘上，需要高温才能打破这种结合，因此取出燃料非常困难。PPPL研究员物理学家弗洛里安·埃芬伯格指出：“碳才是真正的麻烦制造者，必须尽量减少碳含量。”
实验中，样品暴露在DIII-D聚变系统的等离子体中。DIII-D聚变系统的壁目前由石墨(碳的一种形式)制成。鉴于研究表明微量碳也能大幅增加托卡马克壁上滞留的氚数量，该结果对未来聚变发电厂的监管限制具有重要意义。埃芬伯格表示，他们希望去除所有碳，并拥有干净的钨壁，以确保计算结果更接近ITER等国际聚变项目中的实际情况。
这项研究的优势之一在于部分样品直接暴露在DIII-D聚变容器中的等离子体中。该机器是几个实验托卡马克之一，使用磁场将等离子体保持在甜甜圈形状。通过这一研究，科学家对聚变燃料在容器壁上的滞留问题有了更深入的了解，为改进未来聚变发电厂的材料和设计提供了重要依据。
