美国科学家利用液态锂突破性技术冷却核聚变反应堆

普林斯顿等离子体物理实验室的研究人员正在使用液态锂来冷却聚变反应堆。根据一份7月23日发布在《 Interesting Engineering》的新闻稿称，液态金属不仅帮助维持聚变反应堆的温度，还保护反应堆组件免受中子轰击。

聚变反应堆通过模拟太阳核聚变的条件，使氢原子聚变并释放出大量能量。与核裂变相比，这种方法更受欢迎，因为它不会产生放射性废物。然而，尽管如此，研究人员在实现这些反应的净能量输出方面只取得了有限的成果。

核聚变的另一个挑战是控制反应堆的温度。为了使聚变反应发生，反应堆的温度必须达到1亿摄氏度。但过热也是有害的，因为它可能会损坏反应堆容器的内部。

普林斯顿大学安德林格能源与环境中心的机械和航空航天工程副教授Egemen Kolemen表示：“目前，没有可用的固体材料能够承受这些负载。流动的液态金属有潜力解决这些材料挑战。”

液态锂的双重作用

研究人员利用板条促进液态金属在聚变反应堆内边缘的流动。使用液态金属的想法并非全新，之前在被称为分流器的系统中已有尝试。然而，液态金属长时间流动可能会使反应堆容器过热并导致金属蒸发。

为了避免这种情况，PPPL的研究人员利用电流引导液态金属流动，确保其仅短暂暴露于等离子体中。随后，金属沿着通道流向设备底部的分流器，在这里液态金属冷却下来，然后被送回板条顶部再次倒下。这种循环避免了金属过热，因为它仅短暂暴露于等离子体，然后很快冷却下来。

然而，锂的作用不局限于冷却系统。它还通过回收氢粒子来执行另一项任务，即保持等离子体足够热。通常，离开等离子体的氢同位素会以显著较低的温度返回，这会降低等离子体的温度。

聚变反应堆中使用的偏滤器图像，不含液态锂。图片来源：PPPL

参与这项工作的普林斯顿大学机械与航空航天工程系研究生弗朗西斯科·赛恩兹补充说：“如果您的等离子体面向系统是由锂制成的，它会吸收并保留那些与壁面碰撞的粒子，这样您的等离子体就不会以快速的速率冷却。”

超越锂

研究团队对这种方法进行了多次模拟，并在实验中使用了Galinstan(一种由镓、铟和锡组成的混合物)，因为这种混合物具有与液态锂相同的电导率。

团队还试验了电流的增量，以实现液态金属在反应堆容器内的均匀流动，避免溅出。新闻稿补充说，通过使用900A的电流，团队实现了每秒一米的流速。

普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的研究人员还启动了锂实验应用平台，以处理更大体积的液态锂和其他金属，如铜和钨。目前，分流器的设计是封闭的，不允许将液态锂从反应堆容器中移除。

未来，研究人员还计划研究一种系统，该系统可以移除用过的锂，并添加新的液态锂以进行冷却。