吹塵冷卻聚變等離子體 / Blowing Dust to Cool Fusion Plasmas

未來的託卡馬克聚變動力反應堆將產生超出當前材料所能承受的熱量。 科學家們提出了各種冷卻磁約束聚變燃料或等離子體邊緣的方法，以保護周圍託卡馬克的壁。 一種方法是以氣體的形式註入雜質以幫助散發多餘的熱量。 然而，可以注入的氣體範圍有限，並且一些氣體與氫聚變燃料的反應很差。 一種新方法使用粉末形式的雜質。 這使研究人員可以將大量材料直接引入排氣系統，遠遠超過任何氣體噴射技術。 這導致了一個有希望的情景，即減少到達託卡馬克壁的峰值熱通量。

典型的託卡馬克雜質注入方法採用氮氣等氣體。雖然氣體的使用簡化了將雜質引入等離子體的過程，但適用氣體的範圍有限，而且這些氣體通常會與氫燃料發生有害反應。在能源部 (DOE) 用戶設施 DIII-D 國家聚變設施工作的一個研究小組對注入硼、氮化硼和鋰粉進行了實驗。鋰尤其具有吸引力，因為它有可能用作未來託卡馬克液體金屬壁的候選材料，這將使熱量有效、安全地傳播和傳導出去。

在實驗過程中，測量結果顯示光發射（輻射）增加以及到達壁面的峰值熱通量減少。同時，噴粉改善了壁麵條件，減少了雜質對燃料的稀釋。鋰和氮化硼都導致偏濾器處的氣壓顯著增加。在對實驗進行建模的計算機模擬中也可以看到在粉末注射過程中觀察到的輻射特徵和分佈。模擬表明，粒徑較小的材料往往會在註入位置立即被燒蝕，並像氣體一樣遷移。較大的粒子在完全消融和電離之前可以行進更長的距離。模擬表明，材料和顆粒尺寸的選擇允許控制沉積和冷卻位置的位置。在實驗中和通過計算機模擬了解這種效應，可以將其包括在反應堆設計中。將粉末注入到未來的反應堆設計中可以使它們保持高水平的聚變性能，同時增加偏濾器表面的壽命。