美国科学家提出使用“钨霰弹枪”增强聚变反应堆稳定性

失控电子可以摆脱磁约束并撞击反应堆壁。(代表性图像)

洛斯阿拉莫斯国家实验室 (LANL) 的研究人员正在探索一种新方法来缓解聚变能源开发中的一个关键挑战，即失控电子的有害影响。电子失控是由聚变反应堆内的等离子体不稳定性引起的。

洛斯阿拉莫斯国家实验室在一份新闻稿中表示：“聚变反应堆的工作原理是将较轻的原子核聚变成较重的原子核，从而提取巨大的能量。”

为了实现这一目标，科学家需要创造一种过热等离子体，即电子从原子中剥离出来的物质状态，温度达到超过 1.5 亿摄氏度。

“但在极端条件下，不稳定因素就会滋生。等离子体非常不稳定，经常试图逃离反应堆，”新闻稿中强调道。

“这种不稳定性产生的一个严重副产品就是失控电子。”

用“钨霰弹枪”击落失控电子

这些电子加速到接近光速，可以逃离为控制它们而设计的磁场并与反应堆壁相撞。

这些碰撞可能会造成严重损坏，可能会导致昂贵的维修和运营停机。

“这不是长期的损害。在一次事件中，光束可以在固体钨壁上打出一个洞，损坏下面的地下冷却机制，”洛斯阿拉莫斯的核聚变专家迈克尔·莱夫利 (Michael Lively) 表示，他提出了解决这一问题的方法。

莱夫利建议使用“钨制霰弹枪”。

“莱夫利的霰弹枪会向反应堆中注入一束毫米宽的钨粒子来拦截失控的电子，”洛斯阿拉莫斯国家实验室解释道。

值得注意的是，钨因其优异的强度和高熔点而被选中，它已经成为反应堆壁结构的关键部件。

令人鼓舞的结果

Lively 进行的大量模拟表明了钨霰弹枪方法的有效性。注入的钨粒子有效地与失控电子发生碰撞，吸收了它们的能量，并使它们偏离了破坏性的轨迹。

结果表明，失控电子束在接触钨粒子时几乎立即被中和。

洛斯阿拉莫斯国家实验室称：“钨吸收了 8% 的失控电子，其余 92% 则被弹离或散射出轨道，不再有损坏反应堆的风险。”

此外，模拟表明，钨粒子在反应堆内停留的时间比失控电子长得多。

新闻稿指出：“莱弗利发现，逃逸粒子往往只在反应堆周围运行 130 纳秒，而钨粒子的寿命为 100,000 纳秒。”

这意味着一次钨粒子注入可以提供针对多次失控电子事件的长期保护，从而提高该方法的效率和实用性。

保护聚变反应堆

该项研究的下一阶段涉及在实验性聚变反应堆中测试钨粒子注入方法。

如果这些测试证实了模拟结果，那么这项技术可以被融入到未来的聚变反应堆设计中，为更清洁、更可持续的能源未来铺平道路。

“我们应该能够保护核聚变反应堆免受等离子体控制的损失，而无需损坏组件或停机进行昂贵的维修。而且我们这样做几乎不会对经济造成影响，”莱夫利总结道。