失控電子可以擺脫磁約束并撞擊反應堆壁。(代表性圖像)

洛斯阿拉莫斯國家實驗室 (LANL) 的研究人員正在探索一種新方法來緩解聚變能源開發(fā)中的一個關鍵挑戰(zhàn)，即失控電子的有害影響。電子失控是由聚變反應堆內(nèi)的等離子體不穩(wěn)定性引起的。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室在一份新聞稿中表示：“聚變反應堆的工作原理是將較輕的原子核聚變成較重的原子核，從而提取巨大的能量。”

為了實現(xiàn)這一目標，科學家需要創(chuàng)造一種過熱等離子體，即電子從原子中剝離出來的物質(zhì)狀態(tài)，溫度達到超過 1.5 億攝氏度。

“但在極端條件下，不穩(wěn)定因素就會滋生。等離子體非常不穩(wěn)定，經(jīng)常試圖逃離反應堆，”新聞稿中強調(diào)道。

“這種不穩(wěn)定性產(chǎn)生的一個嚴重副產(chǎn)品就是失控電子。”

用“鎢霰彈槍”擊落失控電子

這些電子加速到接近光速，可以逃離為控制它們而設計的磁場并與反應堆壁相撞。

這些碰撞可能會造成嚴重損壞，可能會導致昂貴的維修和運營停機。

“這不是長期的損害。在一次事件中，光束可以在固體鎢壁上打出一個洞，損壞下面的地下冷卻機制，”洛斯阿拉莫斯的核聚變專家邁克爾·萊夫利 (Michael Lively) 表示，他提出了解決這一問題的方法。

萊夫利建議使用“鎢制霰彈槍”。

“萊夫利的霰彈槍會向反應堆中注入一束毫米寬的鎢粒子來攔截失控的電子，”洛斯阿拉莫斯國家實驗室解釋道。

值得注意的是，鎢因其優(yōu)異的強度和高熔點而被選中，它已經(jīng)成為反應堆壁結(jié)構(gòu)的關鍵部件。

令人鼓舞的結(jié)果

Lively 進行的大量模擬表明了鎢霰彈槍方法的有效性。注入的鎢粒子有效地與失控電子發(fā)生碰撞，吸收了它們的能量，并使它們偏離了破壞性的軌跡。

結(jié)果表明，失控電子束在接觸鎢粒子時幾乎立即被中和。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室稱：“鎢吸收了 8% 的失控電子，其余 92% 則被彈離或散射出軌道，不再有損壞反應堆的風險。”

此外，模擬表明，鎢粒子在反應堆內(nèi)停留的時間比失控電子長得多。

新聞稿指出：“萊弗利發(fā)現(xiàn)，逃逸粒子往往只在反應堆周圍運行 130 納秒，而鎢粒子的壽命為 100,000 納秒。”

這意味著一次鎢粒子注入可以提供針對多次失控電子事件的長期保護，從而提高該方法的效率和實用性。

保護聚變反應堆

該項研究的下一階段涉及在實驗性聚變反應堆中測試鎢粒子注入方法。

如果這些測試證實了模擬結(jié)果，那么這項技術可以被融入到未來的聚變反應堆設計中，為更清潔、更可持續(xù)的能源未來鋪平道路。

“我們應該能夠保護核聚變反應堆免受等離子體控制的損失，而無需損壞組件或停機進行昂貴的維修。而且我們這樣做幾乎不會對經(jīng)濟造成影響，”萊夫利總結(jié)道。