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钨在聚变反应堆极端高温条件下成层

在托卡马克中,人们正在探索将磁约束装置用作核聚变反应堆,异常事件会导致能量转移,其能量传递的能量是地球表面太阳辐射强度的1000倍。这些事件可能会损坏结构部件,并可能威胁托卡马克的使用寿命。

宾夕法尼亚州立大学的研究人员最近发表了一篇关于在不使用托卡马克的情况下在实验室中模拟这些条件的论文,以研究这种极端热负荷对钨的影响。他们于10月2日在npj材料降解杂志上发表了他们的发现。

Ken和Mary Alice Lindquist核工程系副教授Leigh Winfrey说:“要使聚变能真正发挥作用,而不仅仅是在理论上起作用,我们需要了解某些材料如何比其他材料更好地生存。” “这项研究使我们对问题有了更好的理解。”

当托卡马克运行时,高能等离子体以甜甜圈状的形状流过其腔室,并受磁场限制,因此等离子(通常在几亿华氏度的温度下)不会碰到托卡马克壁。称为分流器的设备与部分血浆接触,以去除废物。分流器必须能够承受典型的托卡马克操作产生的热传递,以及因等离子体不稳定而产生的异常事件,这类似于太阳耀斑在太阳表面喷发。这些异常可能会在数毫秒到数分钟的持续时间内传递极端的热负荷。

研究人员调查了这些异常事件对钨的影响,目前正在探索将这种金属用于托卡马克聚变反应堆分流器。钨的熔点是所有纯元素中最高的,吸收热量后具有很高的传递热量的能力。

该研究的实验部分在佛罗里达大学进行,温弗瑞以前曾在该大学任教。钨用作绝缘管的内衬,其内径为4毫米,大约为芝麻的长度,外径为6.9毫米。电荷以1到2百万分之一秒的间隔通过电子管脉冲。在小面积和短时间内提供电流会产生弧形等离子体羽,这些等离子体流会在灯管表面产生称为热通量的能量流,每平方米测量的功率高达46.3吉瓦。为了进行比较,需要超过400台风力涡轮机才能产生1吉瓦的能量。

样品在四种不同的热通量下进行测试,并在完全冷却后用扫描电子显微镜进行分析。尽管暴露于热流的损伤程度有所不同,但每一层在钨横截面上形成了三个不同的层。第一层由已完全凝固的完全熔化的钨组成,第二层已部分熔化,并且未损坏的钨构成了第三层。

微观特征在层之间变化。第一层包含许多特征,包括呈玫瑰状的形状,由剪切应力和热应力形成的小空隙,在电脉冲过程中转移的铜纳米颗粒以及称为晶粒的微观晶体新生长。第二部分熔融的层表现出许多与热源对准的空隙和较不与热源对准的柱状晶粒。在第三层中,颗粒通过附着较小的颗粒而长大,就像滑落在窗户上的雨滴会与其他液滴碰撞形成较大的颗粒一样。

根据Winfrey的说法,由于这些微特征中的每一个都可以归因于特定原因,因此这些细节可以使研究人员深入研究在融合环境中设计具有更好生存能力的材料。

Winfrey说:“这些层中的功能可以追溯到物理过程。” “而且当您知道造成这些微特征的物理机制时,您就可以开始改变材料的制造方式,以使其能够抵抗这种破坏。”

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