2019-07-03 05:30:02
微小的颗粒可以帮助为地球带来清洁和丰富的聚变能力

铍是一种长期用于X光机和航天器的坚硬银色金属,它正在寻求将太阳和恒星驱动到地球的力量发挥作用。铍是ITER中用于墙体的两种主要材料之一,ITER是法国正在建造的多国聚变设施,用于展示聚变能的实用性。现在,美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)和通用原子公司的物理学家得出结论,在ITER中注入微小的铍颗粒可以帮助稳定等离子体,从而促进聚变反应。

实验和计算机模拟发现,注入的颗粒有助于在等离子体中创造条件,可以触发称为边缘局部模式(ELM)的小火山爆发。如果足够频繁地触发,微小的ELM可防止可能阻止聚变反应并破坏ITER设施的巨大喷发。

世界各地的科学家正在寻求在地球上复制聚变,以获得几乎无穷无尽的电力供应。这个过程涉及等离子体,一种非常热的自由浮动电子和原子核或离子汤。原子核的合并释放出巨大的能量。

在目前的实验中,研究人员向通用原子公司为圣地亚哥DOE运营的DIII-D国家融合设施注入了具有铍的几种特性的碳,锂和碳化硼轻金属颗粒。 “这些轻金属是DIII-D中常用的材料,与铍共有几种性质,”PPPL物理学家罗伯特伦斯福德说,该论文的主要作者报告了核材料和能源的结果。由于三种金属的内部结构类似于铍的内部结构,科学家们推断所有这些元素都会以类似的方式影响ITER等离子体。物理学家还使用磁场使DIII-D等离子体类似于等离子体,因为预计它会在ITER中发生。

这些实验是他们的第一次。 “这是第一次尝试弄清楚这些杂质颗粒如何渗入ITER,以及你是否会在温度,密度和压力方面做出足够的变化来触发ELM,”等离子边缘负责人Rajesh Maingi说。 PPPL的研究和论文的共同作者。 “事实上它看起来像这种颗粒注射技术,这些元素会有所帮助。”

如果是这样,注入可以降低ITER中大型ELM的风险。 “通过自发发生的ELM进入ITER第一道墙的能量足以对墙壁造成严重破坏,”Lunsford说。 “如果没有做任何事情,你的组件寿命会短得令人无法接受,可能需要每隔几个月更换一次。”

伦斯福德还使用了他自己编写的一个程序,该程序显示,注射直径为1.5毫米的铍颗粒,大约是牙签的厚度,会以一种可能触发小型ELM的方式渗透到ITER等离子体的边缘。在该尺寸下,颗粒的足够表面将蒸发或烧蚀,以允许铍渗透到等离子体中可以最有效地触发ELM的位置。

下一步将计算ITER中杂质颗粒引起的密度变化是否确实会触发ELM,如实验和模拟所示。该研究目前正在与ITER的国际专家合作进行。

研究人员设想注射铍颗粒只是众多工具中的一种,包括使用外部磁铁和注射氘颗粒,以管理像ITER这样的环形托卡马克设施中的等离子体。科学家希望在英国联合欧洲圆环(JET)上进行类似的实验,这是目前世界上最大的托卡马克,以确认其计算结果。 Lunsford说:“我们认为,每个人都需要采用一系列不同的技术才能真正控制ELM问题。”

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