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锂可以降低聚变等离子体的不稳定性

2018-02-17 02:16
来源: 材料牛

【概要】科学家们发现,当将锂粉涂覆于“偏滤器”的钨等离子体面向组件时,它可以消除边缘局域化模式(ELMs)的不稳定性。

锂可以降低聚变等离子体的不稳定性

【图注】该图显示了两个锂喷射器的位置以及锂注入前后的等离子体彩色图像。红色表示氘和锂发出的光,而黄色和橙色表示锂线发射的光。

作为智能手机电池的一个组成部分,锂元素也在清洁聚变能的发展中发挥着重要作用。科学家们发现,当锂电池用于聚变装置中的钨表面时,锂可以减少等离子体中的周期性不稳定性,避免损坏反应器壁。

美国能源部(DOE) Princeton 等离子体物理实验室(PPPL)的科学家和中国实验先进超导Tokamak(EAST)的合作研究结果证明,锂粉可以消除称为边缘局域化模式(ELMs)的不稳定性可用于涂覆“偏滤器”的钨等离子体面向的组件——该装置由等离子体的废热和粒子排出,以促进聚变反应。如果钨等离子体单独存在,这种不稳定性会损害偏滤器并使其无法进行聚变反应失败。而对于计划将钨用于专用锂偏滤器的未来器件来说,这不失为一个好消息。

过去在EAST上使用锂粉的实验证实了,金属可以减少在等离子体外缘所发生的,损害偏滤器的ELMs周期性爆发的频率和强度。当等离子体进入高限制模式的高能量状态或H模式时,ELMs会有规律地发展,H模式可以更有效地在等离子体中储存热量。ELMs还会释放大量的热,损害面向等离子体的组件,并释放出可侵入等离子体的侵蚀材料并冷却聚变反应。

在过去的实验中,EAST的上下偏滤器涂上了轻质多孔碳而非重金属钨。中国科学院的等离子体物理研究所胡健生与PPPL物理学家Rajesh Maingi说:“所以,问题在于锂是否对钨壁有着同样的效果。”

最近对德国的Axi-升级对称分流器实验(ASDEX-U)等其他环形 tokamaks的研究表明,钨制成的等离子面向部件实际上降低了锂涂层控制ELMs的能力。与通过重力注入到EAST实验中的锂粉相比,该实验可通过大快速粒料将锂注入到ASDEX-U中。在最近的实验中,研究人员操纵EAST内的等离子体,以便在 tokamaks内两个偏滤器的上部耗尽其余热,与由碳所制成的下偏滤器不同,上偏滤器是由钨所制成的。

结果表明,与等离子体接触的锂离子注入到等离子体中时,锂的释放量与锂离子的释热量一样多。物理学家现在已越发相信,只要将其设计为与锂兼容,即可将目前尚用于减少融合机器的ELMs技术,在未来更大型机器中逐步降低其使用率。

研究小组指出,随着实验的进展,消除ELMs将变得更加容易,这表明随着时间的推移,消除锂离子可能需要更少的锂。因此,科学家们试图寻求一种方法来调节注入到等离子体中的锂的量,一旦ELMs消失以控制锂的存量和优化等离子体的性能,即有可能降低其注入速率。

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