核聚变装置壁上的液态锂有助于内部等离子体保持热边缘

　　

　　

　　新兴的研究表明，如果将液态锂应用于容纳聚变等离子体的装置内壁，可能更容易使用聚变作为电源。

　　等离子体是物质的第四种状态，是一种由带电粒子组成的高温气体。美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的科学家们正在研究如何有效地利用核聚变的力量，为化石燃料提供一种更清洁的替代品，他们通常使用一种名为托卡马克的装置，这种装置利用磁场限制等离子体。

　　“这些装置的目的是限制能量，”PPPL的研究物理学家丹尼斯·博伊尔说。“如果你有更好的能量约束，你可以使机器更小，更便宜。这将使整个事情变得更加实用，成本效益更高，这样政府和行业就会想要在这方面投入更多。”

　　博伊尔最近在美国物理学会等离子体物理分会会议上的一次受邀演讲中强调了这些新发现，这是实验室锂托卡马克实验-β (LTX-β)的一部分。相关研究也发表在《核材料与能源》杂志上。

　　在最近的实验中，一层液体锂涂层被添加到托卡马克壁上，帮助等离子体在其边缘保持温度。保持热边是他们独特方法的关键，科学家们希望有一天这将有助于聚变发电厂的设计。过去的LTX-β实验研究了固体锂涂层，发现它们可以增强等离子体。研究人员很高兴他们可以用液态锂得到类似的结果，因为液态锂更适合在大型托卡马克中使用。

　　Richard Majeski是PPPL的首席研究物理学家，也是LTX-β项目的负责人，他指出，发展聚变能的最大挑战之一是为限制等离子体的装置建立一个可行的墙。PPPL致力于为这一挑战和其他挑战寻找解决方案，以帮助弥合将聚变能引入电网的差距。

　　“虽然LTX-β是一个非常中等大小的球形托卡马克，但它是世界上第一个也是唯一一个核心等离子体完全被液态锂壁包围的等离子体约束装置，”majki说。“LTX-β的结果非常有希望——液态锂不仅提供了一个可以承受200万度等离子体接触的壁，而且实际上提高了等离子体的性能。”

　　

　　液态锂可以减少维修的需要，当设备内壁暴露在等离子体的极端高温下时，它可以起到屏蔽的作用。

　　液态锂吸收了大约40%从等离子体中逸出的氢离子，这样就会有更少的氢离子以相对较冷的中性气体的形式被回收到等离子体中。科学家们把这种环境称为低循环环境，因为从等离子体中释放出来的大部分氢离子不会以冷却等离子体边缘的方式再循环到等离子体中。

　　最终，这种低循环环境意味着等离子体边缘的温度更接近等离子体核心的温度。通过避免各种不稳定性，温度的均匀性应该使等离子体比没有液态锂的情况下更好地限制热量。

　　当注入一束高能中性粒子加热并为等离子体提供燃料时，液态锂也可以增加等离子体的密度。对于固体锂，密度只增加很小。当使用中性束时，增加的氢离子将等离子体中已经存在的氢离子推出，这一过程被称为电荷交换。

　　研究人员认为，关键的区别是由于少量的锂从反应堆的液体壁上蒸发出来，进入了等离子体。等离子体中的锂杂质改变了电荷交换的动力学，并允许等离子体保留由中性束添加的氢离子，而不会启动其他氢离子，从而导致等离子体密度的总体增加。

　　“在更大的托卡马克中实现液态锂壁将是困难和昂贵的。为了在NSTX-U的未来阶段自信地推进液态锂壁，小规模的探索性实验是必不可少的。LTX-β就是这样的实验，”majki说。