鋰可以有效降低聚變等離子體的不穩(wěn)定性

【概要】科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將鋰粉涂覆于“偏濾器”的鎢等離子體面向組件時，它可以消除邊緣局域化模式（ELMs）的不穩(wěn)定性。

【圖注】該圖顯示了兩個鋰噴射器的位置以及鋰注入前后的等離子體彩色圖像。紅色表示氘和鋰發(fā)出的光，而黃色和橙色表示鋰線發(fā)射的光。

作為智能手機(jī)電池的一個組成部分，鋰元素也在清潔聚變能的發(fā)展中發(fā)揮著重要作用?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋰電池用于聚變裝置中的鎢表面時，鋰可以減少等離子體中的周期性不穩(wěn)定性，避免損壞反應(yīng)器壁。

美國能源部（DOE） Princeton 等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）的科學(xué)家和中國實(shí)驗(yàn)先進(jìn)超導(dǎo)Tokamak（EAST）的合作研究結(jié)果證明，鋰粉可以消除稱為邊緣局域化模式（ELMs）的不穩(wěn)定性可用于涂覆“偏濾器”的鎢等離子體面向的組件——該裝置由等離子體的廢熱和粒子排出，以促進(jìn)聚變反應(yīng)。如果鎢等離子體單獨(dú)存在，這種不穩(wěn)定性會損害偏濾器并使其無法進(jìn)行聚變反應(yīng)失敗。而對于計(jì)劃將鎢用于專用鋰偏濾器的未來器件來說，這不失為一個好消息。

過去在EAST上使用鋰粉的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了，金屬可以減少在等離子體外緣所發(fā)生的，損害偏濾器的ELMs周期性爆發(fā)的頻率和強(qiáng)度。當(dāng)?shù)入x子體進(jìn)入高限制模式的高能量狀態(tài)或H模式時，ELMs會有規(guī)律地發(fā)展，H模式可以更有效地在等離子體中儲存熱量。ELMs還會釋放大量的熱，損害面向等離子體的組件，并釋放出可侵入等離子體的侵蝕材料并冷卻聚變反應(yīng)。

在過去的實(shí)驗(yàn)中，EAST的上下偏濾器涂上了輕質(zhì)多孔碳而非重金屬鎢。中國科學(xué)院的等離子體物理研究所胡健生與PPPL物理學(xué)家Rajesh Maingi說：“所以，問題在于鋰是否對鎢壁有著同樣的效果?！?/p>

最近對德國的Axi－升級對稱分流器實(shí)驗(yàn)（ASDEX－U）等其他環(huán)形 tokamaks的研究表明，鎢制成的等離子面向部件實(shí)際上降低了鋰涂層控制ELMs的能力。與通過重力注入到EAST實(shí)驗(yàn)中的鋰粉相比，該實(shí)驗(yàn)可通過大快速粒料將鋰注入到ASDEX－U中。在最近的實(shí)驗(yàn)中，研究人員操縱EAST內(nèi)的等離子體，以便在 tokamaks內(nèi)兩個偏濾器的上部耗盡其余熱，與由碳所制成的下偏濾器不同，上偏濾器是由鎢所制成的。

結(jié)果表明，與等離子體接觸的鋰離子注入到等離子體中時，鋰的釋放量與鋰離子的釋熱量一樣多。物理學(xué)家現(xiàn)在已越發(fā)相信，只要將其設(shè)計(jì)為與鋰兼容，即可將目前尚用于減少融合機(jī)器的ELMs技術(shù)，在未來更大型機(jī)器中逐步降低其使用率。

研究小組指出，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展，消除ELMs將變得更加容易，這表明隨著時間的推移，消除鋰離子可能需要更少的鋰。因此，科學(xué)家們試圖尋求一種方法來調(diào)節(jié)注入到等離子體中的鋰的量，一旦ELMs消失以控制鋰的存量和優(yōu)化等離子體的性能，即有可能降低其注入速率。