ITER 的橫截面顯示了聚變系統的內壁。新的實驗結果表明，將硼粉撒入容器可以保護內壁免受等離子體熱量的影響。此外，新的計算機建模框架顯示，粉末可能只需要從一個位置撒入。(圖片來源：ITER 組織)
在聚變研究領域，鎢被認為是一種理想的材料，用于制造直接面對等離子體的托卡馬克聚變反應堆內部部件。然而，鎢原子在聚變等離子體的高溫下可能會從壁上濺射出來并進入等離子體，過多的鎢會導致等離子體冷卻，從而使得維持聚變反應變得困難。美國能源部普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)的研究人員發現，向托卡馬克中撒入硼粉可能有助于解決這一問題。硼粉能夠部分保護反應堆壁免受等離子體的侵蝕，并阻止壁上的原子進入等離子體。此外，PPPL研究人員開發的新型計算機建模框架表明，硼粉可能只需從一個位置撒入即可實現均勻分布。
托卡馬克實驗科學副主任約瑟夫·斯奈普斯(Joseph Snipes)對固體硼注入系統表示樂觀，因為實驗顯示，固體硼注入后鎢濺射現象有所減少。這些實驗在全球三個擁有鎢壁的托卡馬克設施中進行：一個位于德國，一個位于中國，一個位于美國。
硼粉像從鹽瓶中撒出的鹽一樣，被撒入托卡馬克等離子體中，在等離子體邊緣被電離，然后沉積在托卡馬克的內壁和排氣區域。一旦內壁被薄薄的硼層覆蓋，它就會阻止鎢原子進入等離子體并輻射走等離子體的能量。”
斯奈普斯及其同事正在開發的硼注入系統，最終可能被用于國際熱核聚變實驗堆(ITER)的反應堆級托卡馬克。該系統可以在機器運行時添加硼，并且能夠精確控制注入的硼量。沉積的硼層能夠保留放射性元素氚，而ITER托卡馬克為了遵守核安全規定，需要將氚的含量降至最低。ITER和橡樹嶺國家實驗室的科學家和工程師也參與了這個項目。
這張 ITER 橫截面圖展示了顆粒注入導管和硼滴管概念設計草圖。(圖片來源：橡樹嶺國家實驗室/PPPL)
PPPL的研究員物理學家弗洛里安·埃芬伯格(Florian Effenberg)領導了一個單獨的項目，為DIII-D托卡馬克中的硼注入系統創建了一個計算機建模框架。該框架表明，硼粉可能只需從一個位置撒入，就能在模擬域中考慮的反應堆組件上實現足夠均勻的硼分布。
研究人員的方法結合了三種不同的計算機模型，創建了一個新的框架和工作流程。其中一個模型模擬等離子體的行為，另一個模型展示了硼粉末顆粒在等離子體中的運動和蒸發過程，第三個模型研究了硼顆粒如何與托卡馬克壁相互作用，包括它們如何粘附、磨損和與其他材料混合。
雖然建模框架是針對DIII-D托卡馬克設計的，但這項研究的下一階段將涉及將建模框架擴展到ITER。DIII-D的壁由碳制成，而ITER計劃使用鎢壁，因此研究硼如何保護壁的差異非常重要。
參與Snipes描述工作的研究人員還包括：Larry Robert Baylor、Alessandro Bortolon、Florian Effenberg、Erik Gilson、Alberto Loarte、Robert Lunsford、Rajesh Maingi、Steve Meitner、Federico Nespoli、So Maruyama、Alexander Nagy、Zhen Sun、Jeff Ulreich和Tom Wauters。這項工作的資金由ITER組織提供。
Klaus Schmid、Federico Nespoli和Yühe Feng參與了Effenberg在本發布中描述的建模框架的工作。Alessandro Bortolon、Jeremy Lore、Tyler Abrams、Brian Grierson、Rajesh Maingi和Dmitry Rudakov為該建模框架的應用做出了貢獻。這項工作是在DE-AC02-09CH11466、DE-FC02-04ER54698和DE-AC05-00OR22725的資助下完成的。
