MK-200裝置實驗方案： 1 - 脈沖等離子體加速器; 2——磁場線圈; 3——磁性探頭; 4 - 亥姆霍茲線圈; 5 - 目標; 6——等離子流; 7——目標等離子體; 8——管道系統; 9——鏡頭，10——高溫計; 11 - 光譜儀

近日，來自特羅伊茨克創新與熱核研究所、莫斯科物理技術學院(MIPT)和莫斯科動力工程學院(MPEI)的科學家們，在保護材料免受受控熱核聚變條件下極端熱負載影響的研究領域取得了重要進展。他們的研究成果已發表在《原子科學與技術問題》雜志的“熱核聚變”系列中。

在熱核反應堆內部，強大的等離子體流(溫度高達數百萬度的電離氣體)會對壁材料造成巨大破壞。盡管鎢以其耐火性而著稱，被認為是反應堆內襯的最有前景材料之一，但當暴露于1 kJ/cm²量級的能量流時，即使是鎢也會受到破壞。因此，如何保護材料免受此類極端熱負載的影響，一直是熱核聚變領域亟待解決的關鍵問題。

在此次研究中，俄羅斯科學家決定測試涂有一層薄薄鉍的鎢作為保護材料。實驗在脈沖等離子體加速器MK-200上進行，該加速器能夠產生能量密度約為600 J/cm²、持續時間為15 μs的氫等離子體流。實驗結果顯示，鉍的蒸發產生的屏蔽效應顯著減少了鎢基板接收到的能量，使其比無保護的純鎢在相同條件下的能量吸收降低了四倍。同時，鉍的表面溫度也遠低于鎢的熔點，證明了鉍作為鎢保護涂層的高效性。

此外，該科學家團隊還研究了使用氮氣氣幕保護鎢免受熱核等離子體影響的方法。實驗表明，原子密度為2⋅103的氮氣幕能夠顯著降低鎢靶材的熱負荷，減少能量吸收2-2.5倍。氮氣幕不僅有效地限制了鎢蒸氣的擴散，還防止了其與入射等離子體流的相互作用以及重雜質對等離子體的污染。

這兩項研究成果對于熱核能的發展具有重要意義，它們為實現更先進、更可靠的聚變反應堆設計提供了可能。同時，這些技術也可能在其他領域得到應用，如保護航天器免受高能粒子和熱輻射的影響、為高超音速飛機開發熱防護涂層等。

研究團隊表示，盡管鉍提供有效但不可再生的保護，而氮氣幕則提供了一種可再生的保護機制，但兩者都有各自的優缺點。最佳方法的選擇取決于熱核裝置的具體運行條件。未來，他們將繼續深入研究，以期找到更加高效、可持續的材料保護方案，為熱核能時代的到來奠定堅實基礎。

此次研究是在國家合同工作期間以及俄羅斯基礎研究基金會科學項目框架內的財政支持下完成的。