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核聚变研究又有新进展：使用“硼粉”更安全高效
2019-12-24 18:10:56 来源：前瞻网 阅读量：9.51万
图文无关
托卡马克(tokamaks装置)是一种环形核聚变装置，但这种装置有一个主要的问题，那就是要保证用来进行核聚变反应的等离子体不受杂质的影响，以免降低反应效率。
而现在，美国能源部(DOE)普林斯顿等离子物理实验室(PPPL)的科学家们发现，只要向等离子体中喷洒一种粉末就可以帮助科学家们利用托卡马克装置内的超热气体产生热量来发电，并且还不会产生温室气体或长期放射性废物。
核聚变是驱动着太阳和恒星的能量，它以等离子体的形式将轻元素结合在一起，能产生大量的能量。科学家们正试图在地球上复制核聚变的过程，以提供几乎取之不尽的力量来进行发电。
日前，这项报告核聚变结果的研究报告发表在《核聚变》(Nuclear Fusion)上，PPPL物理学家Robert Lunsford是这项报告第一作者，他表示：“这个实验的主要目的是看看我们是否可以用一个粉末喷射器铺一层硼，到目前为止，实验看起来似乎很成功。”
在托卡马克装置面向等离子体的那一面涂上一层硼，这一过程被称为“硼化”，硼可以防止一种被称为钨的元素透过托卡马克装置壁浸入等离子体，钨一旦进入等离子体，就会冷却等离子体粒子，降低核聚变的反应效率。但科学家们想要让等离子体尽可能的热——至少是太阳表面温度的10倍——以最大限度地进行核聚变反应，从而产生电能。
使用粉末来进行硼化也比现在正在使用的一种叫做二硼烷的硼化气体要安全得多。Lunsford说:“二硼烷气体具有爆炸性，因此，在硼化过程中，每个人都必须离开托卡马克装置所在的大楼。但如果你能在等离子体中加入一些硼粉的话，那就会容易处理得多。二硼烷气体具有爆炸性和毒性，但硼粉是惰性的，这种新技术的侵入性更小，危险性也更小。”
硼粉还有另一个优点，在操作硼气过程中，物理学家必须要停止托卡马克装置，但硼粉可以在装置保持运行状态下直接添加到等离子体。这一特点对于提供稳定电力来源来说很重要，未来的核聚变设施必须长时间不间断地运行。Lunsford说：“这是实现稳态核聚变的一种方法，你可以添加更多的硼，而且还不用完全关闭机器。”
使用粉末喷射器喷射托卡马克装置内表面还有其他原因。例如，研究人员还发现，向等离子体中注入硼粉与向等离子体中注入氮气具有相同的效果——两种技术都会增加等离子体边缘的热量，从而增加等离子体在磁场中的稳定程度。
粉末技术还为科学家们提供了一种制造低密度聚变等离子体的简便方法，这一点很重要，因为低密度可以使等离子体的不稳定性被磁脉冲抑制，这是改进聚变反应的一种相对简单的方法。科学家们可以在任何时候使用粉末来制造低密度等离子体，而不需要等待气体硼化。用这种方法，科学家能够很容易地创造出大范围的等离子体条件，这将使物理学家能够更彻底地探索等离子体的反应。
在未来，Lunsford和团队中的其他科学家希望进行更多的实验，以确定这些材料在注入等离子体之后的确切去向。物理学家目前假设，这些硼粉在进入等离子体之后会和等离子体流一样，落在托卡马克装置室内的顶部和底部，“如果这个假设可以得到模型的支持的话，那我们就会知道硼层在托卡马克装置内的确切位置，”Lunsford说。
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