近日，美國能源部橡樹嶺國家實驗室(ORNL)被選中領導兩項新的研究合作，并在“聚變創新研究引擎”(FIRE)合作項目下參與另外兩項合作。這些項目聚焦彌補聚變材料、包層和冷卻劑技術、液態金屬部件以及反應堆建模與仿真等方面的關鍵差距。

托卡馬克聚變裝置中面向等離子體的偏濾器組件表面及其底層氦冷卻系統的數字化表示。SWIFT-PFCs 的 FIRE 合作項目將對虛擬組件進行建模，評估其受熱和受粒子影響的情況，并利用這些數據設計能夠承受聚變裝置極端環境的下一代材料。圖片來源：Adam Malin/ORNL，美國能源部

FIRE合作項目由美國能源部聚變能科學項目管理，通過多機構團隊協作，將基礎聚變研究與行業實際需求結合，為現實聚變挑戰提供創新方案。此次，1.28億美元資金將授予七個致力于創建聚變能科學技術創新生態系統的團隊。

ORNL聚變能源部門主任特洛伊·卡特稱，新的FIRE合作項目讓ORNL有機會應用尖端聚變研究成果，推進實用成熟技術，為聚變試驗工廠及未來發展鋪路，也體現了實驗室聚變能源項目的深度以及與各方建立的牢固合作關系。

ORNL主導或參與的FIRE合作項目涵蓋多個重要領域：

在聚變材料方面，聚變裝置內面向等離子體的部件需承受極端條件，現有材料無法滿足需求。面向等離子體組件的集成聚變技術解決方案導向工作流程(SWIFT -PFC)和FIRE協作項目，將結合ORNL的材料專業知識和先進建模能力，縮小聚變材料差距，設計下一代面向等離子體組件(PFC)材料。未來四年，該項目將創建集成設計和評估工作流程，開發、測試、建模和迭代PFC材料系統，相關材料將在聚變條件下表征，用于驗證和改進聚變模擬代碼，指導下一代材料開發。橡樹嶺國家實驗室材料科學與技術部首席研究員兼聚變材料研發負責人澤克·昂特伯格表示，項目致力于在加速時間內表創建嚴格審查的聚變材料系統，目標是開發新的聚變PFC范式。SWIFT -PFC是“加速腔室技術的綜合材料計劃”(IMPACT)的補充項目，IMPACT由田納西大學的Steve Zinkle領導，將對聚變結構材料進行處理，研究先進的釩合金和可鑄造納米結構合金等材料。SWIFT -PFC由ORNL領導，聯合研究員來自多所高校和國家實驗室。

在包層測試設施方面，第一壁和包層是聚變裝置關鍵部件，目前尚無設施能在集成環境中測試冷卻劑和增殖劑原型。包層測試設施合作項目計劃建造并運行氦鹽技術實驗(HASTE)設施，該設施將復制聚變包層內部環境，研究流動物理特性，改進模擬代碼，測試氚增殖和提取技術，為磁聚變和慣性聚變系統子系統和組件提供試驗平臺。項目還將與英國和日本的合作伙伴合作，利用其設施補充研究工作，評估材料兼容性和腐蝕影響。橡樹嶺國家實驗室包層和燃料循環組首席研究員兼負責人保羅·亨里克豪斯稱，此次合作將加快測試包層概念，降低成本，加快聚變包層和材料創新步伐。BCTF項目由ORNL牽頭，聯合研究人員來自多所機構。

在液態金屬技術方面，ORNL與普林斯頓等離子體物理實驗室牽頭的FIRE合作項目合作，推進液態金屬等離子體材料和第一壁概念的成熟度。液態金屬尤其是液態鋰是未來聚變反應堆有希望的候選材料，但存在關鍵科學和工程問題。此次合作將通過測試分析組件、表征材料特性、開發新型合金以及驗證模型來應對挑戰。ORNL將設計全集成液態金屬增殖/冷卻系統(FILMS)，分析強磁場對金屬流動的影響等。液態金屬FIRE合作項目由PPPL牽頭，ORNL首席研究員是Sergey Smolentsev。

在減輕突然失去約束風險方面，ORNL參與普林斯頓等離子體物理實驗室領導的“減輕突然失去約束的風險”(MiRACL)項目。反應堆規模的磁約束聚變設施若約束突然喪失，會對組件造成嚴重損傷。MiRACL項目將量化風險，評估避免和減輕技術，部署建模工具優化聚變設施設計。ORNL將利用先進模擬工具和機器學習方法評估干擾緩解和避免技術。ORNL與項目牽頭機構PPPL以及多所高校和公司研究人員合作開展MiRACL研究，ORNL MiRACL首席研究員是Yashika Ghai。

據悉，可在美國能源部科學辦公室網站找到FIRE合作組織和合作機構的完整列表。德克薩斯大學巴特爾分校代表美國能源部科學辦公室管理橡樹嶺國家實驗室，該辦公室是美國物理科學基礎研究的最大支持者，致力于解決時代緊迫挑戰。