聚变燃料滞留机制新发现

根据一项由九家机构共同参与的全球合作研究，燃料滞留的主要驱动力是共沉积作用：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期间直接添加的锂中，也可能是之前沉积在壁面上随后磨损并重新沉积的锂中。

研究还表明，与预先在壁面涂覆锂相比，在操作过程中添加锂更能有效地实现从等离子体核心到边缘的均匀温度分布，从而有助于创造商业化聚变所需的稳定等离子体条件。

这项新研究通过考察托卡马克中锂壁的行为，超越了早期的工作，提供了更贴近商业化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更好地管理氚——一种稀缺且重要的聚变燃料。

该研究发表在《核材料与能源》期刊上，首次直接比较了聚变操作前在托卡马克内部涂覆的锂与聚变反应期间注入等离子体的锂粉所捕获的燃料量。在操作中注入锂粉主要用于作为保护涂层，改善面向等离子体的表面，并减少从托卡马克壁面进入等离子体的不需要的材料数量。这种行为也自然刺激了共沉积作用。

研究还发现，等离子体启动前涂覆的锂层厚度对燃料捕获量影响不大。“结果表明，增加这些涂层的厚度几乎没有影响，”该研究的第一作者Maria Morbey说道。她是荷兰基础能源研究所（DIFFER）及埃因霍温科技大学的博士候选人，“大多数燃料滞留发生在等离子体启动期间添加锂时，而不是之前。”

“随着我们因石墨壁的高腐蚀率和产生的粉尘问题，将托卡马克壁材料转向钨等材料时，我们需要找到一种方法来调节这些壁面，使等离子体的热核更好地适应它们。”美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的研究科学家Florian Effenberg说道，他监督了这项研究。

Effenberg表示，锂是这项任务的领先候选材料，他指出锂粉注入为实现完全液态锂壁提供了一条实用的桥梁。目前正在制定一项计划，可能在PPPL的国家球形环面实验升级装置（NSTX-U）中包括一个锂注入器，并最终包括面向等离子体的液态锂组件。实验室还在开发一种基于NSTX-U设计的托卡马克，称为先进球形环面反应堆（STAR）。

除了来自PPPL（锂研究的领先机构）的其他研究人员外，团队还包括DIFFER、埃因霍温科技大学、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、加利福尼亚大学圣地亚哥分校以及能源部的劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员。

“锂壁被有意用于创造一种环境，使燃料原子被吸收而非反射，从而有助于稳定等离子体边缘，增强等离子体约束能力，实现在更高功率密度下运行。这些是紧凑型、更高效的托卡马克设计的关键优势。”Effenberg说道。

然而，这一特性也导致了显著的燃料滞留，尤其是氚的滞留，氚具有放射性，稀缺且受到严格监管。过多的氚滞留会降低燃料可用性，使氚燃料循环复杂化，并引发安全和操作问题，尤其是在较冷且难以接近的区域中，氚可能随时间累积。

研究结果强调，在托卡马克设计中，避免锂和燃料可能累积的冷壁区域至关重要。使用流动的液态锂、维持较高的壁温以及采用其他技术防止不需要的共沉积，将有助于将氚引导到可以更有效管理和回收的区域。

Morbey表示，研究结果表明，锂和氘的共沉积比预先存在的锂涂层导致更多的燃料滞留，至少在锂为固态时如此。Morbey计划通过加热瓷砖使锂液化后运行类似实验，并比较结果。

“这一步骤将使我们接近未来聚变电站中锂的理想运行状态：液态。一旦它可以流动，最终还将提供热保护和局部净化锂流的路径，使氚燃料能够被回收和再利用。”Effenberg说道。

这项研究的重要性还在于它能帮助识别托卡马克中氚可能累积的关键区域。“我们必须找到一种防止这些冷点中燃料滞留的方法，”Morbey说道，例如在瓷砖之间或托卡马克排气系统的某些部分。

强磁场将大部分等离子体约束在托卡马克内部的环形区域中，但一些等离子体粒子会逃逸。这些粒子中的许多会撞击内壁或包围等离子体的其他内部组件。例如，当粒子撞击壁面时，可能会反弹回等离子体中或被击中物体卡住。

每种情况都有其优缺点。卡在壁中的氚原子无法自然循环回等离子体中以生产更多能量。另一方面，被捕获的粒子不会阻碍聚变反应。从壁面重新发射的粒子已经失去了能量，比从未离开热核的粒子冷得多。当这些较冷的循环粒子与核心等离子体混合时，整体温度会下降。如果等离子体过冷，聚变就会停止。

研究报告：《DIII-D托卡马克中预锂化样品和Li-D共沉积中的氘滞留》