创建液态锂回路以控制聚变温度

Josiah01

　　聚变容器有一个“金发姑娘问题”：容器内的等离子体需要足够热才能产生净功率，但如果温度过高，就会损坏容器内部。普林斯顿等离子体物理实验室 (PPPL) 的研究人员正在探索排出多余热量的方法，其中包括几种使用液态金属的方法。
　　美国能源部实验室的研究人员表示，一种可能的方法就是让液态锂在容器底部的一系列瓷砖板条上上下下流动。液态金属还可以帮助保护面向等离子体的部件免受中子粒子的轰击。
　　PPPL 的 Egemen Kolemen 是这项研究的2022 年论文的合著者，也是机械和航空航天工程副教授和安德林格能源与环境中心的副教授，他说：“经济型商用聚变反应堆的主流选择是紧凑型设计。”然而，紧凑性使得处理热流和中子轰击成为更大的挑战。
　　“目前，还没有可用的固体材料可以承受这些负载。流动的液态金属有可能解决这些材料难题。”
　　在磁力和电流的驱动下，液态金属在穿过薄板条顶部边缘时，只会在很短的时间内直接暴露在等离子体的热量中。然后，金属会沿着两个板条之间的间隙形成的通道流动。当液态金属下降到设备底部（称为偏流器）时，液体会冷却。最终，液态金属会回到板条顶部，聚集热量并再次下落。
　　冷却系统原型的实验非常成功，结果与模拟结果一致。“我们能够复制板条周围的流动环路，这就像该机制的工作原理，”普林斯顿大学机械和航空航天工程系研究生、偏滤器论文合著者 Francisco Saenz 说道。
　　“在我们提出的系统中，液态金属在顶部表面升温，但几乎立即被到达顶部表面的冷液态金属取代，并继续吸收热量，”萨恩斯说。
　　随着板条周围的每次上升和下降，液体都会升温并被新鲜的液态金属取代。然而，液态金属的过热程度被最小化，因为液态金属只在经过偏滤器的小行程中暴露在热量中。过去类似的液态金属系统（称为偏滤器）的设计涉及让液态金属在较长时间内直接流过等离子体，这可能会导致过热和更多的蒸发。
　　通过蒸发进入等离子体的锂也可能是有益的；根据PPPL过去的研究，它应该有助于等离子体保持高温并易于控制。
　　“锂减少了氢粒子的循环。所谓循环，是指等离子体中的原子离开核心，到达壁面，然后反弹回等离子体，”萨恩斯说。反弹的同位素温度会显著降低，最终导致等离子体温度降低。“但如果面向等离子体的系统由锂制成，它会吸收并保留那些与壁面碰撞的粒子，因此等离子体不再快速冷却。”
　　研究人员在实验中使用了镓铟锡（一种镓、铟和锡的混合物）代替锂。“液态金属的电导率是强磁场（如聚变容器中的磁场）影响下流动的主要特性之一。镓铟锡的电导率与液态锂非常相似，”萨恩斯说，这使得他们能够对不同情况下的锂流进行分析。
　　施加到液体上的电流量通过一系列步骤增加，以观察它如何影响流动的速度和均匀性。萨恩斯说，研究小组在没有液态金属飞溅的情况下实现了他们的目标速度。液态金属流动得越快，作用于它的特定力就越大。这种力被称为磁流体阻力，它减缓了流动速度。
　　幸运的是，他们的实验结果与模拟结果一致，研究人员能够让液体流动速度低于他们设定的每秒 1 米的速度限制，并高效使用 900 安培的电流。Saenz 说，理想的偏流器不仅需要带走热量，而且还需要不需要过多的功率来保持液体流动。
　　普林斯顿大学研究生 Brian Wynne 也参与了偏滤器项目，他对原型的未来迭代充满期待。“还有更多工作要做，”Wynne 说。“我们需要根据板条的形状优化几何结构本身。”
　　这可能涉及减小每个板条的宽度，并将边缘弄圆，以减少流体中可见的波峰和波谷。一个波峰可以阻止热量传递到相邻的波谷，因此创造一个光滑的表面应该会增加等离子体对液体的热量吸收。
　　温恩表示，下一个原型也可能从铜板条转向 3D 打印的钨板条。这种高度耐用的金属被认为非常适合用于面向等离子体的组件，因此将其用于偏滤器可能是合理的，他说。未来的原型还将研究锂流入和流出偏滤器的系统。目前的偏滤器原型是一个封闭系统，这意味着在通电时不会移除或添加液态锂。