普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的研究人員正在使用液態(tài)鋰來(lái)冷卻聚變反應(yīng)堆。根據(jù)一份7月23日發(fā)布在《 Interesting Engineering》的新聞稿稱(chēng)，液態(tài)金屬不僅幫助維持聚變反應(yīng)堆的溫度，還保護(hù)反應(yīng)堆組件免受中子轟擊。

聚變反應(yīng)堆通過(guò)模擬太陽(yáng)核聚變的條件，使氫原子聚變并釋放出大量能量。與核裂變相比，這種方法更受歡迎，因?yàn)樗粫?huì)產(chǎn)生放射性廢物。然而，盡管如此，研究人員在實(shí)現(xiàn)這些反應(yīng)的凈能量輸出方面只取得了有限的成果。

核聚變的另一個(gè)挑戰(zhàn)是控制反應(yīng)堆的溫度。為了使聚變反應(yīng)發(fā)生，反應(yīng)堆的溫度必須達(dá)到1億攝氏度。但過(guò)熱也是有害的，因?yàn)樗赡軙?huì)損壞反應(yīng)堆容器的內(nèi)部。

普林斯頓大學(xué)安德林格能源與環(huán)境中心的機(jī)械和航空航天工程副教授Egemen Kolemen表示：“目前，沒(méi)有可用的固體材料能夠承受這些負(fù)載。流動(dòng)的液態(tài)金屬有潛力解決這些材料挑戰(zhàn)。”

液態(tài)鋰的雙重作用

研究人員利用板條促進(jìn)液態(tài)金屬在聚變反應(yīng)堆內(nèi)邊緣的流動(dòng)。使用液態(tài)金屬的想法并非全新，之前在被稱(chēng)為分流器的系統(tǒng)中已有嘗試。然而，液態(tài)金屬長(zhǎng)時(shí)間流動(dòng)可能會(huì)使反應(yīng)堆容器過(guò)熱并導(dǎo)致金屬蒸發(fā)。

為了避免這種情況，PPPL的研究人員利用電流引導(dǎo)液態(tài)金屬流動(dòng)，確保其僅短暫暴露于等離子體中。隨后，金屬沿著通道流向設(shè)備底部的分流器，在這里液態(tài)金屬冷卻下來(lái)，然后被送回板條頂部再次倒下。這種循環(huán)避免了金屬過(guò)熱，因?yàn)樗鼉H短暫暴露于等離子體，然后很快冷卻下來(lái)。

然而，鋰的作用不局限于冷卻系統(tǒng)。它還通過(guò)回收氫粒子來(lái)執(zhí)行另一項(xiàng)任務(wù)，即保持等離子體足夠熱。通常，離開(kāi)等離子體的氫同位素會(huì)以顯著較低的溫度返回，這會(huì)降低等離子體的溫度。

聚變反應(yīng)堆中使用的偏濾器圖像，不含液態(tài)鋰。圖片來(lái)源：PPPL

參與這項(xiàng)工作的普林斯頓大學(xué)機(jī)械與航空航天工程系研究生弗朗西斯科·賽恩茲補(bǔ)充說(shuō)：“如果您的等離子體面向系統(tǒng)是由鋰制成的，它會(huì)吸收并保留那些與壁面碰撞的粒子，這樣您的等離子體就不會(huì)以快速的速率冷卻。”

超越鋰

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)這種方法進(jìn)行了多次模擬，并在實(shí)驗(yàn)中使用了Galinstan(一種由鎵、銦和錫組成的混合物)，因?yàn)檫@種混合物具有與液態(tài)鋰相同的電導(dǎo)率。

團(tuán)隊(duì)還試驗(yàn)了電流的增量，以實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬在反應(yīng)堆容器內(nèi)的均勻流動(dòng)，避免濺出。新聞稿補(bǔ)充說(shuō)，通過(guò)使用900A的電流，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了每秒一米的流速。

普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室(PPPL)的研究人員還啟動(dòng)了鋰實(shí)驗(yàn)應(yīng)用平臺(tái)，以處理更大體積的液態(tài)鋰和其他金屬，如銅和鎢。目前，分流器的設(shè)計(jì)是封閉的，不允許將液態(tài)鋰從反應(yīng)堆容器中移除。

未來(lái)，研究人員還計(jì)劃研究一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以移除用過(guò)的鋰，并添加新的液態(tài)鋰以進(jìn)行冷卻。