未来核聚变能源反应堆的内部环境将是地球上有史以来最恶劣的环境之一。什么东西的强度足以保护聚变反应堆内部不受等离子体产生的热流的影响，就像航天飞机重返地球大气层一样?
齐克Unterberg和他的团队在美国能源部橡树岭国家实验室目前使用领先的候选人:钨、熔点最高和最低的蒸汽压上所有金属元素周期表,以及非常高的抗拉强度,属性,这些属性使它适合滥用很长一段时间。他们的工作重点是了解钨如何在聚变反应堆中工作，聚变反应堆是一种将轻原子加热到比太阳核心还要高的温度，从而使它们聚变并释放能量的设备。聚变反应堆中的氢气被转化为氢等离子体——一种由部分电离气体组成的物质状态——然后被强磁场或激光限制在一个小区域内。
“你不会想在反应堆里放一些只能维持几天的东西，”Unterberg说，他是ORNL聚变能源部门的高级研究科学家。“你想要有足够的生命。我们把钨放在我们预计会出现高等离子轰击的地方。”
2016年，Unterberg和他的团队在DIII-D国家核聚变设施(位于圣地亚哥的能源部科学用户设施办公室)开始在托卡马克上进行实验，这是一个使用磁场来包含等离子环的聚变反应堆。他们想知道钨能否在不严重污染等离子体本身的情况下，用于保护托卡马克的真空室——保护它不受等离子体效应造成的快速破坏。这种污染，如果不能得到充分的控制，最终可能会使聚变反应消失。
Unterberg说:“我们试图确定在钨室中哪些区域会特别糟糕:钨在哪里最有可能产生杂质，污染等离子体。”
为了发现这一点，研究人员使用钨的富集同位素W-182，百度杏耀以及未修饰的同位素，来追踪从分流器内部钨的侵蚀、迁移和再沉积过程。通过观察真空室中用于分流等离子体和杂质的钨的运动，他们可以更清楚地了解到钨是如何从托卡马克的表面侵蚀和与等离子体相互作用的。富钨同位素具有与常规钨相同的物理化学性质。DIII-D的实验使用了涂有富同位素的小金属嵌入物，这些嵌入物被放置在靠近但不是在最高热通量区，这是容器中通常被称为发散器远靶区的区域。另外，在通量最高的分流器区域，即走射点，研究人员使用了含有未修饰同位素的插入物。第二燃烧室的其余部分用石墨进行了装甲。
这种装置使得研究人员可以在临时插入腔内的特殊探针上收集样本，以测量流入和流出容器装甲的杂质，这可以让他们更精确地了解从分流器泄漏到腔内的钨的来源。
“使用富集同位素给了我们一个独特的指纹，”Unterberg说。
这是第一次在聚变装置中进行这样的实验。其中一个目标是确定最佳的材料和位置为这些材料进行铠装，同时保持杂质等离子体-材料的相互作用，主要包含在扩散器和不污染磁约束核心等离子体用于产生聚变。
分流器设计和操作的一个并发症是由边缘局域模式(ELMs)引起的等离子体中的杂质污染。类似于太阳耀斑的一些快速高能事件，会损坏或摧毁诸如分流板之类的容器组件。榆树的频率，也就是这些事件每秒发生的次数，是等离子体向壁上释放能量总量的指示器。高频榆树每次喷发可以释放少量的等离子体，但如果榆树的频率较低，每次喷发释放的等离子体和能量较高，造成破坏的可能性较大。最近的研究着眼于控制和增加榆树的频率的方法，例如通过粒子注入或以非常小的强度增加磁场。
Unterberg的研究小组发现，正如他们预期的那样，当钨接触到能量含量较高且每次事件表面接触较多的低频榆树时，远离高通量射点的钨大大增加了污染的可能性。此外，研究小组发现，这个分流器远靶区更容易受到刮擦层的污染，尽管它的通量通常比射点低。这些看似违反直觉的结果正被正在进行的与本项目有关的分流器建模努力和DIII-D的未来实验所证实。
这个项目涉及在北美的一个专家小组,包括来自普林斯顿等离子体物理实验室的合作者,劳伦斯利弗莫尔国家实验室的桑迪亚国家实验室,ORNL,通用原子公司,奥本大学,加州大学圣迭戈,多伦多大学,大学的诺克斯维尔,田纳西州和威斯康星-麦迪逊大学的,因为它提供了一个plasma-material交互研究的重要工具。美国能源部的科学办公室(聚变能源科学)为这项研究提供了支持。
该团队今年早些时候在《核聚变》杂志上在线发表了研究结果。
这项研究可以立即使目前正在法国Cadarache建设中的欧洲联合环面(Joint European Torus，简称JET)和ITER受益，这两家公司都使用钨铠装作为分流器。
Unterberg说:“但我们正在关注的不仅仅是ITER和JET——我们正在关注未来的聚变反应堆。”“钨最好放在哪里，不应该放在哪里?”我们的最终目标是，当核聚变反应堆出现时，以一种智能的方式对其进行防护。”
Unterberg说，ORNL独特的稳定同位素组，开发并测试了富集同位素涂层，然后将其放入对实验有用的形式，使研究成为可能。他说，这种同位素除了在ORNL的国家同位素发展中心之外，在其他地方是不可能得到的，该中心拥有几乎所有用同位素分离的元素的储备。
Unterberg说:“ORNL对这类研究有独特的专长和特殊的需求。”“我们开发同位素并在世界各地不同应用的各种研究中使用它们的历史由来已久。”
此外，ORNL管理着美国ITER。
接下来，研究小组将研究如何将钨放入不同形状的分流器中，杏耀yl的历史可能会对堆芯造成污染。他们推测，不同的发散体几何形状可以将等离子体-物质相互作用对核心等离子体的影响降到最低。知道了磁约束等离子体设备的必要部件——分流器的最佳形状，将使科学家向可行的等离子体反应堆又近了一步。
“如果我们，作为一个社会，说我们想要核能的出现，我们想要进入下一个阶段，”Unterberg说，“核聚变将是圣杯。”
UT-Battelle为能源部科学办公室管理ORNL，能源部科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者。科学办公室正在努力解决我们这个时代最紧迫的一些挑战。更多信息，
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