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聚变研究的新参与者:克罗地亚在原子能机构支持下启动双离子束设施

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目前,50多个原子能机构成员国在开展受控核聚变和等离子体物理研究,以证明聚变作为能源的科学可行性。(照片来源: 国家航空航天局/CC)

能够使不同加速器产生的两个离子束同时组合的双离子束设施在萨格勒布落成,加强了克罗地亚的聚变研究,并扩大了具有这种尖端能力的设施的全球供应。鲁德·博斯科维奇研究所氦离子源和DiFU双束流设施在原子能机构支持下安装,将有助于科学家测试和开发聚变能成为现实所必不可少的新结构材料。全世界只有极少数此类设施。

聚变研究人员和工程师努力开发利用轻核聚变产生的能量的方法,轻核聚变过程相当于恒星产生能量过程。这为充足、安全和无碳能源带来希望。

然而,聚变反应产生高能中子和α粒子,它们在暴露一段时间后,会损坏反应堆壁。离子束技术,如克罗地亚的双束流设施,可以模拟这些极端条件,并有助于开发足够坚固的新材料来维持这些反应。  

“在这座1.0兆伏较小能量的串列式加速器上安装的氦离子源是鲁德·博斯科维奇研究所加速器设施中最后一个缺失部件,该设施现在能够进行聚变环境的最真实模拟,”鲁德·博斯科维奇研究所离子束相互作用实验室资深科学家Milko Jasic说。“这项投资还将能够增加离子束分析技术在各种其他应用中的使用。”

“它将使研究人员和工程师除其他外,能够测试材料是否坚固到足以承受聚变反应,”原子能机构物理科科长Danas Ridikas补充说。“该设施对欧洲以及其他地区的原子能机构成员国来说也是个好消息。”

鲁德·博斯科维奇研究所通过1997年签署的一项合作协议一直在与原子能机构合作。原子能机构向该研究所提供了设备,并通过一项能力建设计划提供了援助。原子能机构最近启动了一项旨在促进世界范围内离子束设施实验的新协调研究项目。来自原子能机构其他成员国感兴趣的科学家也可以利用该研究所,包括这一新的双离子束设施。

推进聚变研究

在聚变装置中,原子核被加热到极高温度以使它们聚变并释放能量。Ridikas说,全球研究人员最近在聚变和等离子体物理方面取得了令人瞩目的进展。目前,50多个国家在开展受控核聚变和等离子体物理研究,以证明聚变作为能源的科学可行性。

“世界各地在等离子体物理方面正在进行复杂的实验和采取积极的行动,”Ridikas说。  “但重要问题仍然存在。例如:我们怎么能知道材料在经过多年的受照后强度足以承受聚变反应?”

在原子能机构支持下,在鲁德·博斯科维奇研究所安装了“氦离子源和DiFU双束流设施”。(照片来源: 原子能机构)

像克罗地亚双束离子设施这样的技术可以模拟材料将在聚变堆中受照的类似情况 — 包括来自聚变的高能中子和α粒子产生的嬗变产物和造成的损伤。

“通过正确的测量、正确的温度控制和撞击材料的两个同时发生的离子束(因而称为双束),我们正在创建一个可以从中获得结构材料如何对聚变力做出反应的标示的模拟现实,”Ridikas说。“通过这种方式,我们可以测试哪种材料经得住和坚持多久。”

两个束流都对准一个钢制样品 — 由于其坚固性通常被用于聚变堆的材料,以模拟聚变等离子体如何与该材料相互作用并改变该材料。除了可能破坏材料的晶体结构之外,这种核相互作用还产生嬗变气体产物,例如氦气和氢气。这可能导致在钢内部形成气泡,从而引起材料膨胀。知道这些反应是如何以及何时发生的,科学家就可以调整材料以消除这些不良影响。

上个月,原子能机构和国际热核实验堆国际聚变能组织已商定加强其在核聚变研究方面的合作和相关活动,其长期目标是在工业电厂规模上实现聚变能生产。国际热核实验堆是正在法国建设的一座国际实验反应堆,也是世界上最先进和最大规模的聚变实验之一。与此同时,双束流设施,例如鲁德·博斯科维奇研究所安装的双束流设施,或设在西班牙、由欧盟引领的新的DONES倡议 — 聚变专用中子源,将推动材料试验方面的研究。

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