钨同位素研究将在未来聚变反应堆中发挥重要作用

未来的核聚变能反应堆内部将是地球上有史以来最恶劣的环境之一。有什么足以保护聚变反应堆内部不受等离子体产生的热通量(类似于重新进入地球大气层的航天飞机)的作用?

能源部橡树岭国家实验室(Zeke Unterberg)和他的团队目前正在与领先的候选化合物进行合作：钨，其元素周期表中所有金属的熔点最高，蒸气压最低，并且抗拉强度非常高，使其很适合长时间滥用的属性。他们专注于理解钨在聚变反应堆中的工作方式。聚变反应堆是一种将轻原子加热到比太阳核高的温度的装置，以便它们融合并释放能量。聚变反应堆中的氢气转化为氢等离子体(一种由部分电离的气体组成的物质状态)，然后被强磁场限制在一个较小的区域 或激光。

ORNL聚变能事业部的高级研究人员Unterberg说：“您不想在反应堆中放一些只能持续几天的东西。” “你要有足够的寿命。我们将钨放到我们预期会有很高等离子轰击的区域。”

2016年，温特伯格(Unterberg)及其团队开始在位于美国圣地亚哥的DOE科学办公室用户设施DIII-D国家聚变设施的聚变反应堆托卡马克中进行实验，该聚变反应堆使用磁场来容纳等离子体环。他们想知道是否可以使用钨来加固托卡马克的真空室-保护它免受等离子体影响而导致的快速破坏-而不会严重污染等离子体本身。如果不能充分控制，这种污染最终将使聚变反应熄灭。

温特伯格说：“我们正在试图确定腔室内哪些区域特别糟糕：钨最有可能在其中产生污染等离子体的杂质。”

为了发现这一点，研究人员使用了丰富的钨同位素W-182和未修饰的同位素来追踪偏滤器内部钨的腐蚀，迁移和再沉积。查看钨在分流器内的运动-真空室中旨在转移等离子体和杂质的区域-使它们更清楚地了解钨如何从托卡马克内部腐蚀并与等离子体相互作用。富集的钨同位素具有与常规钨相同的物理和化学性质。在DIII-D进行的实验使用了涂有富集同位素的小金属插入物，该金属插入物位于最高热通量区域附近，但不在最高热通量区域处，该区域通常被称为分散器远目标区域。另外，在通量最大的偏滤器区域，触击点 研究人员将插入物与未修饰的同位素一起使用。DIII-D腔室的其余部分装有石墨。

这种设置使研究人员可以在临时插入腔室中的特殊探针上收集样品，以测量进出船舶装甲的杂质流，这可以使他们更准确地了解从分流器泄漏到腔室中的钨在何处具有起源。

温特伯格说：“使用富集的同位素为我们提供了独特的指纹。”

这是在融合设备中进行的第一个此类实验。一个目标是确定用于房间装甲的这些材料的最佳材料和位置，同时将由等离子体-材料相互作用引起的杂质大部分包含在分流器中，并且不污染用于产生聚变的磁体限制的核心等离子体。

分流器的设计和操作的一个复杂之处是等离子体的杂质污染是由边缘定位模式或ELM引起的。其中一些类似于太阳耀斑的快速，高能事件会损坏或破坏分流板等船只部件。ELM的频率(这些事件每秒发生的时间)指示从等离子体释放到壁的能量。高频ELM每次喷发可释放少量血浆，但如果ELM频率较低，则每次喷发释放的血浆和能量较高，损坏的可能性更大。最近的研究已经研究了控制和增加ELM频率的方法，例如通过颗粒注入或很小的磁场强度。

Unterberg小组发现，正如他们所期望的那样，将钨置于远离高通量触击点的位置时，暴露于具有较高能量含量和每个事件与表面接触的低频ELM时，大大增加了污染的可能性。此外，研究小组发现，该偏滤器远目标区域更容易受到SOL的污染，即使它的通量通常低于击穿点。这些看似违反直觉的结果已被与该项目有关的正在进行的偏滤器建模工作以及未来在DIII-D上的实验所证实。

该项目由来自北美的专家团队组成，其中包括普林斯顿等离子体物理实验室，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室，桑迪亚国家实验室，ORNL，通用原子，奥本大学，加利福尼亚大学圣地亚哥分校，多伦多大学，田纳西大学诺克斯维尔分校和威斯康星大学麦迪逊分校，因为它为等离子体-材料相互作用研究提供了重要工具。能源部科学办公室(融合能源科学)为这项研究提供了支持。

该小组于今年初在《核聚变》杂志上在线发表了研究报告。该研究可能会立即使目前在法国卡达拉奇建造的欧洲联合圆环或JET和ITER受益，这两个都使用钨盔甲作为分流器。

Unterberg说：“但是，我们正在研究ITER和JET以外的事物–我们正在研究未来的聚变反应堆。” “在哪里放钨最好，在哪里不放钨?我们的最终目标是，以聪明的方式给聚变反应堆装甲。”

温特伯格说，ORNL独特的稳定同位素小组(在将浓缩同位素涂层制成对实验有用的形式之前对其进行开发和测试)使这项研究成为可能。他说，只有从ORNL的国家同位素开发中心那里才能找到这种同位素，该中心拥有几乎所有同位素分离的元素的储备。

Unterberg说：“ ORNL对这类研究具有独特的专业知识和特殊要求。” “我们拥有开发同位素并将其用于世界各地不同应用的各种研究中的悠久历史。”

接下来，研究小组将研究将钨放入不同形状的分流器中如何影响铁芯的污染。从理论上讲，不同的偏滤器几何形状可以使等离子体-材料相互作用对核心等离子体的影响最小化。知道分流器的最佳形状(磁约束等离子体装置的必要组件)会使科学家离可行的等离子体反应器更近一步。

温特伯格说：“如果我们作为一个社会，说我们希望发生核能，并且想进入下一阶段，那么融合将是圣杯。”