硼粉能防止钨元素浸入，使“人造太阳”更安全

美国能源部(DOE)普林斯顿等离子物理实验室(PPPL)的科学家们发现了一种使用绝缘硼粉（无定形元素硼）隔离钨元素与等离子体，使托卡马克核聚变反应堆更安全的方法。相关研究成果发表在国际原子能机构（IAEA）的《核聚变》学术期刊上。

核聚变是驱动着太阳和恒星的能量，它以等离子体的形式将轻元素结合在一起，能产生大量的能量。科学家们正试图在地球上复制核聚变的过程，以提供几乎取之不尽的力量来进行发电。

托卡马克装置是一种环形核聚变装置，俗称“人造太阳”。在其中，由电磁场约束的极热的、带电的等离子体旋转着并产生几乎无限的能量。但该装置中的等离子体容易挥发，从具有太阳温度的等离子体中逃逸的粒子会与包围托卡马克的材料发生反应，从而降低温度，使得等离子体核聚变反应停止，甚至对反应堆本身及其周围的一切造成极大危险。因此，保证托卡马克核聚变装置的等离子体不受杂质的影响至关重要。

中国全超导托卡马克东方超环核聚变装置

在托卡马克装置面向等离子体的那一面涂上一层硼粉，这一过程被称为“硼化”，硼可以防止一种钨元素透过托卡马克装置壁浸入等离子体，冷却等离子体粒子，降低核聚变的反应效率。

钨具有高熔点、高热导率、低物理溅射率、高溅射阈值能量、低燃料滞留与低中子活化等优良特性，是聚变实验堆及示范堆中面向等离子体材料(PFM)的首选。在托卡马克中，为了获得纯净的热核聚变等离子体，必须对杂质进行有效控制。对杂质的拉制主要是控制杂质在器壁表面的产生、杂质流入主等离子体区及杂质从主等离子体中的流出问题。而钨偏滤器的作用就是将等离子体与第一壁进行隔绝并且对流入杂质进行屏蔽，作为与高温气体直接接触的金属。

但“硼化”过程缺乏安全性，该过程需要使用乙硼烷气体来达到目的，气体由硼和易燃易爆的氢气制备。由于其可燃性，要使用它，科学家必须彻底停止托卡马克，引入气体，然后重新启动。

核聚变托卡马克装置示意图

科学家们发现，硼粉的惰性特点，可以很好的解决爆炸等安全性问题。此外，硼粉可以在装置保持运行状态下直接添加到等离子体。这一特点对于提供稳定电力来源来说很重要，未来的核聚变设施必须长时间不间断地运行。而进入等离子体内部后，粉末的工作方式与气体相同，可以将温度保持在高性能区域内，这样可以使等离子体更稳定并防止刮擦托卡马克腔室的内表面。

粉末技术还可以帮助科学家开发更简单、更安全的等离子体反应形式，称为低密度等离子体。低密度可以使等离子体的不稳定性被磁脉冲抑制，为科学家们创造出大范围、可控制、更安全的等离子条件。

中国的EAST托卡马克装置计划将于2020年达到2亿摄氏度的高温，这是世界同类装置的最高水平。若此种新方法被证明有效，应用在中国的“人造太阳”上应该也有助于提高效率和安全性。至于所用的材料，也不会是太大问题，毕竟中国有着排行世界前五的硼资源。

PPPL物理学家Robert Lunsford表示，未来他们希望通过更多的实验确定这些材料在注入等离子体之后的确切去向。目前假设，这些硼粉在进入等离子体之后会和等离子体流一样，落在托卡马克装置室内的顶部和底部，如果这个假设可以得到模型的支持的话，那科学家们就会知道硼层在托卡马克装置内的确切位置。