失控電子的危害

“聚變反應(yīng)堆通過將較輕的原子核融合成一個(gè)較重的原子核來提取巨大的能量，”洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LANL)在新聞發(fā)布會(huì)上說。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，科學(xué)家們需要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)超熱的等離子體，這是一種電子從原子中剝離出來的物質(zhì)狀態(tài)，它的溫度超過1.5億攝氏度。“但是極端條件會(huì)滋生不穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定性的一個(gè)嚴(yán)重副產(chǎn)品就是失控電子，致使等離子體經(jīng)常試圖逃離反應(yīng)堆。”LANL在新聞發(fā)布上會(huì)強(qiáng)調(diào)。

這些電子被加速到接近光速后能夠逃離限制它們的磁場(chǎng)，并與反應(yīng)堆壁發(fā)生碰撞，碰撞可能會(huì)造成重大損害，導(dǎo)致需要進(jìn)行昂貴的停機(jī)維修，因此控制和減輕失控電子的影響是聚變反應(yīng)堆設(shè)計(jì)和運(yùn)行中的一個(gè)重要考慮因素。

LANL的聚變專家Michael Lively說，“這不是隨著時(shí)間推移而造成的損害，在極端情況下，光束甚至可以在堅(jiān)固的鎢墻上打一個(gè)洞，損壞下面的冷卻機(jī)制。”為此他提出了解決這個(gè)問題的方法，即使用“鎢霰彈槍”。

“鎢霰彈槍”的效果

鎢是自然界中熔點(diǎn)最高的金屬，其熔點(diǎn)為3422℃，這使得它能夠在極端熱負(fù)荷條件下保持穩(wěn)定，它還具有良好的抗輻照性能，能承受高能粒子的轟擊，鎢因其卓越的強(qiáng)度和高熔點(diǎn)已經(jīng)被選為反應(yīng)堆壁建設(shè)的關(guān)鍵組成部分。

“Michael Lively的鎢霰彈槍會(huì)向反應(yīng)堆注入一束毫米大小的鎢顆粒，以攔截失控電子，”LANL解釋道。Michael Lively進(jìn)行的廣泛模擬顯示了鎢霰彈槍方法的有效性，注入的鎢顆粒有效地與失控電子發(fā)生碰撞，吸收它們的能量并將它們從破壞性軌跡上偏轉(zhuǎn)。結(jié)果表明，失控電子束在與鎢顆粒接觸后幾乎立即被中和。

“鎢吸收了8%的失控電子，而其余92%被反彈或散射出軌道，不再有損壞反應(yīng)堆的風(fēng)險(xiǎn)，”LANL斷言。

此外，模擬揭示鎢顆粒在反應(yīng)堆中的停留時(shí)間比失控電子長(zhǎng)得多。Michael Lively發(fā)現(xiàn)失控電子在反應(yīng)堆中的軌道時(shí)間僅為130納秒，而鎢顆粒的壽命為100,000納秒。這意味著一次性注入鎢顆粒可以提供對(duì)多次失控電子事件的長(zhǎng)期保護(hù)，提高了這種方法的效率和實(shí)用性。

這項(xiàng)研究的下一階段內(nèi)容是在實(shí)驗(yàn)性聚變反應(yīng)堆中測(cè)試鎢顆粒注入方法，如果這些測(cè)試證實(shí)了模擬結(jié)果，那么這項(xiàng)技術(shù)將可以集成到未來聚變反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中去，為更清潔、更可持續(xù)的能源未來鋪平道路。

“我們應(yīng)該能夠在不造成部件損壞或停機(jī)進(jìn)行昂貴維修的情況下，來保護(hù)核聚變反應(yīng)堆不受等離子體控制損失的影響，而且是在幾乎不產(chǎn)生任何經(jīng)濟(jì)影響的情況下做到這一點(diǎn)，”Michael Lively總結(jié)道。