计算机模拟显示了在中心附近释放壳状颗粒有效载荷材料(蓝色)后，从内部(中心的暗区)冷却的热聚变等离子体的温度轮廓。

科学

在氢原子融合并释放能量的情况下，创建一个1.5亿度的等离子体是一项艰巨的任务。以有序和可控制的方式冷却等离子体也是困难的。 DIII-D国家核聚变设施的研究人员正在研究一种新方法，该方法使用充满硼的金刚石壳来快速冷却聚变等离子体。早期的实验结果和计算机建模表明，该方法可以避免传统冷却方法的问题。在计算机模拟中，这种新方法也显示出有望解决融合托卡马克长期存在的挑战。面临的挑战是在快速冷却聚变等离子体时可能发生的破坏性电子爆炸。

影响

未来的聚变反应堆将拥有非常高的功率密度，并需要长时间运行。考虑到这些特性，反应堆操作员将需要有能力以一种不损坏托卡马克并允许反应堆快速重启的有序方式冷却聚变等离子体(即淬火)。一年多来，研究人员一直在研究一种以每小时数百英里的速度将金刚石壳注入等离子体中心的技术。当它被注入时，金刚石燃烧并释放出有效载荷的硼。然后硼冷却等离子体。最近复杂的计算机建模使研究人员对这种技术的工作原理有了更深入的了解，并发现了意想不到的好处。这些好处可能会使新技术对未来的聚变反应堆特别有吸引力。

总结

淬火传统上是通过向等离子体的边缘注入大量气体或低温冷冻固体，从外部向内冷却等离子体。当这种物质穿过等离子体中的嵌套层(称为通量表面)时，它就像剥开洋葱的一层一层一样破坏了等离子体。这样一来，每一层内的热量就被释放出来了。新的金刚石外壳方法通过先冷却内层来逆转这一过程，这样释放的热量在转化为光的过程中仍然被外层捕获。金刚石外壳在通过等离子体边缘时缓慢烧蚀，然后在中心裂开，释放出大量的硼，引发内部的淬火。

新的模拟结果显示，钻石外壳中烧蚀碳的总量和外壳破裂的位置决定了当等离子体的中心冷却时，外层的通量表面是否能存活下来。在正确的条件下，环面的外边缘继续限制热量，直到中心几乎所有的热量都被转化，从而保护了外壁。模拟还表明，这种类型的猝灭具有防止电子被加速到接近光速的意想不到的好处。这些被称为失控电子的粒子会撞击托卡马克内部，破坏壁面和敏感设备。

联系

瓦莱丽·伊佐(Valerie Izzo)

菲亚特·勒克斯(Fiat Lux)和通用原子

izzo@fusion.gat.com

资金

这项工作得到了能源部科学技术办公室融合能源科学计划的支持。

刊物

Izzo，V. A.，解释性MHD建模，用于快速关闭托卡马克中的分散壳颗粒注射。核聚变60，6(2020)。 [DOI：https：//doi.org/10.1088/1741-4326/ab8544]