鎢是託卡馬克核融合反應器的首選材料，但由於濺射會冷卻等離子體，使核融合難以持續，因此鎢的應用面臨挑戰。 PPPL的研究人員建議，在託卡馬克中撒入硼粉末可以透過屏蔽牆壁和防止鎢進入等離子體來防止這種情況。 最近在全球範圍內進行的託卡馬克實驗和一個新的電腦模型都支持硼粉在維持核融合最佳等離子體條件方面的潛力。

聚變研究人員越來越傾向於將鎢作為聚變反應器內直接面對等離子體的部件的理想材料，例如託卡馬克和仿星器。 然而，在核融合等離子體的高溫作用下，鎢原子會從反應器壁濺射到等離子體中。 過量的鎢會大幅降低等離子體的溫度，對維持核融合反應構成挑戰。

美國能源部普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的研究人員現在有實驗證據表明，在託卡馬克中引入硼粉可以解決這個問題。 硼能部分屏蔽反應器壁與等離子體的接觸，防止壁原子污染等離子體。 此外，PPPL 研究人員開發的一種新電腦建模框架表明，硼粉可能只需要從一個點施加。 這些發現和新的建模方法最近在亞特蘭大舉行的美國物理學會等離子體物理分會第66屆年會上進行了展示。

這幅熱核實驗堆橫斷面圖顯示了顆粒注入導管和硼滴管的概念設計草圖。 資料來源：橡樹嶺國家實驗室/PPPL

託卡馬克實驗科學部副主任約瑟夫-史奈普斯（Joseph Snipes）對固體硼注入系統持樂觀態度，因為實驗證明，在註入固體硼之後，鎢濺射會減少。 這些實驗在全球三個鎢壁託卡馬克中進行：一個在德國，一個在中國，一個在美國。

他說：”硼以粉末狀灑入託卡馬克等離子體，就像從鹽罐中灑出的一樣，在等離子體邊緣電離，然後沉積在託卡馬克的內壁和排氣區域。塗上一層薄薄的硼，就能阻止鎢進入等離子體並輻射掉等離子體的能量。

史奈普斯和他的同事正在研究硼注入系統，最終目標是將其用於ITER組織的反應器級託卡馬克。 注入系統非常適合這項任務，因為它可以在機器運行時添加硼。 它還能精確控制和限制硼的注入量。 沉積的硼層會保留放射性元素氚，而在熱核實驗堆託卡馬克中必須盡量減少氚的含量，以符合核安要求。 來自熱核實驗堆和橡樹嶺國家實驗室的科學家和工程師也在這個專案上進行了合作。

PPPL 的研究物理學家Florian Effenberg 領導了一個單獨的項目，為DIII-D託卡馬克中的硼注入系統創建電腦建模框架。

“我們已經開發出一種新方法，可以了解注入的硼材料在聚變等離子體中的表現，以及它如何與聚變反應器壁相互作用，使反應器在運行時保持良好狀態。”

研究人員的方法結合了三種不同的電腦模型，創建了一個新的框架和工作流程。 “一個模型模擬等離子體的行為，另一個模型展示硼粉顆粒如何在等離子體中移動和蒸發，第三個模型研究硼顆粒如何與託卡馬克壁相互作用，包括它們如何粘附、磨損以及與其他材料混合，”Effenberg 說。 “這些見解對於優化硼注入策略，在ITER和其他聚變反應器中實現有效、均勻的壁調節至關重要。”

雖然建模框架研究的是DIII-D（由位於聖地牙哥的通用Atomics公司運行的託卡馬克），但這項研究的下一階段涉及將建模框架擴展到ITER。 DIII-D 的爐壁由碳製成，而熱核實驗堆計劃採用鎢壁，因此研究硼如何保護爐壁的任何差異將非常重要。

編譯自/ ScitechDaily