摘要：锂被认为是未来商用聚变电站托卡马克的关键成分，并且有多种方法可以利用这种金属来增强聚变过程。但一个关键问题仍然存在：它对托卡马克装置壁内燃料的含量有多大影响？
锂被认为是未来商用聚变电站托卡马克的关键成分，并且有多种方法可以利用这种金属来增强聚变过程。但一个关键问题仍然存在：它对托卡马克装置壁内燃料的含量有多大影响？
根据一项由九家机构组成的全球合作研究的最新发现，燃料滞留的主要驱动因素是共沉积：即燃料与锂一起被捕获的过程。共沉积可能发生在等离子体操作过程中直接添加的锂，也可能发生在先前沉积在壁上、磨损后再次沉积的锂。
研究还表明，在运行过程中添加锂比预先在壁上涂上锂更能有效地从等离子体核心到边缘产生均匀的温度，这有助于创造商业聚变所需的稳定等离子体条件。
这项新研究超越了先前的研究，通过考察托卡马克装置中锂壁的行为，提供了更能反映商用聚变系统复杂环境的见解。这些见解可以帮助未来的托卡马克装置更好地管理氚——一种稀有且必不可少的聚变燃料。
该研究发表在《核材料与能源》杂志上，首次直接比较了聚变操作开始前托卡马克装置内部涂覆的锂涂层捕获的燃料量与聚变反应过程中向等离子体注入锂粉的燃料量。在操作过程中注入的锂粉主要用作保护涂层，以改善面向等离子体的表面，并减少从托卡马克装置壁脱落并进入等离子体的有害物质的数量。此外，它还能促进共沉积。
研究还发现，等离子发射前涂覆的锂涂层厚度对燃料的截留量没有显著影响。“事实证明，增加这些涂层的厚度几乎没有影响，”该研究的主要作者、荷兰基础能源研究所（DIFFER）和埃因霍温理工大学的博士生玛丽亚·莫贝（Maria Morbey）说道。“大部分燃料的截留发生在等离子发射过程中添加锂时，而不是事先添加。”
美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）负责指导这项研究的研究员弗洛里安·埃芬伯格（Florian Effenberg）表示：“由于石墨壁的侵蚀率高且会产生灰尘，我们正将其转向钨等壁面材料，因此我们需要找到一种方法来调节这些壁面，以便等离子体的热核能够更好地耐受它们。”
埃芬伯格表示，锂是实现这一目标的首选材料，并指出粉末注入技术为实现全液态锂壁提供了切实可行的途径。一项计划正在制定中，计划在PPPL的国家球形环面实验升级项目（NSTX-U）中可能包含锂注入器，并最终包含面向液态锂等离子体的组件。该实验室还在基于NSTX-U的设计研制托卡马克装置，称为球形托卡马克先进反应堆（STAR）。
除了来自锂研究领域的领导者 PPPL 的其他研究人员之外，该团队还包括来自 DIFFER、埃因霍温理工大学、通用原子公司、桑迪亚国家实验室、奥本大学、田纳西大学诺克斯维尔分校、加州大学圣地亚哥分校和美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的人员。
液态金属隔热罩
锂可以熔化，在聚变容器内部组件上形成一层自修复层。当等离子体的温度高于太阳核心时，这层保护层可以帮助保护一些直接面对等离子体的部件，使其免受其强烈且可能造成破坏的热量的损害。如果聚变容器壁温度足够高，锂还可以通过形成气体或蒸汽屏蔽来保护容器壁。
埃芬伯格表示：“锂壁的设计旨在创造一种燃料原子被吸收而非反射的环境，这有助于稳定等离子体边缘，增强等离子体约束，并使其能够在更高的功率密度下运行。这些对于紧凑、高效的托卡马克设计而言是关键优势。”
然而，同样的特性也会导致燃料大量滞留，尤其是氚。氚具有放射性，资源稀缺，且受到严格监管。过量的氚滞留会降低燃料的可用性，使氚燃料循环复杂化，并带来安全和运行方面的隐患，尤其是在较冷且难以接近的区域，氚可能会随着时间的推移而积累。
研究结果强调，在托卡马克设计中，避免锂和燃料容易积聚的冷壁区域至关重要。使用流动的液态锂、保持较高的壁温并采用其他技术来防止不必要的共沉积，将有助于将氚引导到更易于管理和回收的区域。
两种应用技术比较结果可靠
研究期间，研究人员使用嵌入在加州通用原子公司运营的托卡马克装置DIII-D的墙砖中的材料样品，评估了两种锂的使用方法。第一种方法是，在将样品暴露于聚变等离子体之前，先用锂进行预涂层。第二种方案是，将锂添加到嵌入墙砖中的材料样品中。同时，使用一种称为杂质粉末滴管的系统，将锂喷洒在等离子体上方，使样品暴露于聚变等离子体中。
莫贝表示，研究结果表明，锂和氘的共沉积会比现有的锂涂层产生更多的燃料滞留——至少在锂为固态时是如此。莫贝计划进行类似的实验，将瓷砖加热至锂液化，然后比较结果。
“这一步将使我们更接近于我们期望的聚变发电厂中锂的运行方式：以液态形式存在。一旦它能够流动，最终还能提供热保护和流动路径，以局部净化锂流，从而回收并再利用氚燃料，”埃芬伯格说。
这项研究的重要性还在于，它有助于识别托卡马克装置中氚可能积聚的关键区域。“我们必须找到一种方法，防止燃料滞留在这些冷点，”莫贝说道，例如瓦片之间或托卡马克装置排气系统的某些部位。
最大限度地减少燃料需求
了解燃料在托卡马克装置内部的具体嵌入方式，对于使聚变能所需的系统成为安全且经济的能源至关重要。按照目前托卡马克装置的设计方式，持续供应氚对于为反应提供燃料至关重要。
但氚稀有且具有放射性，而且在托卡马克装置内部通过核反应产生的速率有限，因此，如果大量的氚被困在托卡马克装置内壁的锂涂层中，效果并不理想。埃芬伯格表示，这项研究使用氘作为氚的替代品，这在此类研究中很常见，因为在实验中，两者的行为相同。
强磁场将大部分等离子体保持在托卡马克装置内部呈甜甜圈状，但一些等离子体粒子会逸出。许多粒子会撞击环绕等离子体的容器内壁或其他部件。例如，当粒子撞击容器壁时，它可能会反弹回等离子体中，或者被它撞击的物体卡住。
每种情况都有其优缺点。被困在壁内的氚原子无法自然地被回收到等离子体中并用于产生更多能量。或者，被捕获的粒子无法阻止聚变反应。从壁面重新发射出来的粒子已经失去了能量，并且比从未离开炽热核心的粒子温度低得多。当这些温度较低的回收粒子与核心等离子体混合时，整体温度会下降。如果等离子体冷却过度，聚变就会停止。
PPPL 的 Shota Abe、Alessandro Bortolon 和 Alexander Nagy 也参与了这项研究，此外还有 Tyler Abrams（通用原子公司）、Ryan Hood（桑迪亚国家实验室）、Ulises Losada（奥本大学）、Jun Ren（田纳西大学诺克斯维尔分校）、Dmitry Rudakov（加州大学圣地亚哥分校）、Michael Simmonds（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）、Dinh Truong（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）和 Thomas Morgan（DIFFER 和埃因霍温理工大学）。
来源：老齐的科学大讲堂
