洛斯阿拉莫斯实验室研发“钨霰弹枪”技术 有效缓解聚变反应堆失控电子问题

失控电子可以摆脱磁约束并撞击反应堆壁。(代表性图像)

洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)的研究人员正致力于解决聚变能源开发中的一个关键难题：如何缓解失控电子的有害影响。这些电子由聚变反应堆内等离子体不稳定性引发，对反应堆的安全运行构成威胁。

聚变反应堆的工作原理是将较轻的原子核聚变成较重的原子核，从而释放出巨大的能量。为实现这一目标，科学家需要创造一种过热等离子体，其温度超过1.5亿摄氏度，此时电子会从原子中剥离出来。然而，在如此极端条件下，等离子体极易变得不稳定，并试图逃离反应堆。这种不稳定性导致的一个严重后果就是产生失控电子，这些电子加速到接近光速，可能逃离控制磁场并与反应堆壁相撞，造成潜在损害。

针对这一挑战，洛斯阿拉莫斯的核聚变专家迈克尔·莱夫利(Michael Lively)提出了一种创新解决方案：使用“钨制霰弹枪”来击落失控电子。该方法通过向反应堆中注入一束毫米宽的钨粒子，以拦截并中和失控电子。钨因其高强度和高熔点而被选中，已成为反应堆壁结构的关键材料。

莱夫利进行的大量模拟实验表明，钨霰弹枪方法具有显著效果。注入的钨粒子与失控电子发生碰撞，吸收其能量并改变其运动轨迹，从而避免了它们对反应堆壁的破坏。模拟结果显示，失控电子束在接触钨粒子时几乎立即被中和，其中8%的失控电子被钨吸收，其余92%则被弹离或散射出轨道，不再构成威胁。

此外，钨粒子在反应堆内的停留时间远长于失控电子，这意味着一次钨粒子注入可以提供针对多次失控电子事件的长期保护。这一发现提高了该方法的效率和实用性。

接下来，研究人员计划在实验性聚变反应堆中测试钨粒子注入方法。如果测试结果与模拟结果相符，这项技术有望被融入未来的聚变反应堆设计中，为更清洁、更可持续的能源未来提供有力支持。

莱夫利表示：“我们应该能够保护核聚变反应堆免受等离子体控制的损失，而无需损坏组件或停机进行昂贵的维修。而且我们这样做几乎不会对经济造成影响。”

洛斯阿拉莫斯国家实验室是位于美国新墨西哥州的世界顶级科研机构，以研制出世界上第一颗原子弹和氢弹而闻名。