法国人造太阳改用钨材料 美国科学家为其研制X射线诊断系统

近日，美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室的一个科学家团队赢得了美国能源部科学奖，这源于他们为法国West托卡马克项目开发了两个新的X射线诊断仪器。在未来的三年内，他们将与法国科学家一起在WEST设施的所在地CAE实验室测试这些已安装设备。WEST是欧洲目前在建的第二代ITER人造太阳项目，是Tore Supra的升级版，与中国的EAST项目遥相呼应。欧洲一代的ITER项目Tore Supra是一台使用碳元素的等离子组件的大型设备。现在，WEST的研究人员采用钨制元件去替代碳元件，这其中最主要的替换就是偏滤器。人造太阳图片偏滤器是ITER中最重要的的关键部分，其主要功能是有效地屏蔽来自器壁的杂质，减少对中心等离子体的污染，并实现中心等离子体的粒子流和热流的功率疏散，偏滤器的出现使得清洁芯部等离子体的获取成为可能。

在现在ITER研究中，钨最重要的应用就是钨偏滤器。钨及钨合金因其具有高熔点、高导热率、高密度、低的热膨胀系数、低蒸气压、低氚滞留、低溅射产额和高自溅射阀值等优异性能。当然，碳也能承受高温，不过钨更优越的方面是这种材料可以承受熔化等离子体的超热温度而不吸收等离子体中的气体，碳材料却会和氢气发生反应，有可能会释放出放射性，变得十分危险。所以，不仅是偏滤器使用钨材料，从ITER第三阶段后，用于内壁的碳和铍材料也将遭到淘汰，所有的器壁材料都改成了钨，这主要考虑到钨合金材料低物理溅射率、高溅射阈值能量、产生杂质少等特点。但是钨材料也并非十全十美。它最大的缺点是：如果ITER内部发生出乎意料的爆炸而产生的热量可能会熔化，钨不像碳那样能立即破坏等离子体，停止熔化，这就可能会造成难以预料的风险。 

这时，美国科学家所研究的两种新设备就能派上用场了。第一种设备被称为 “多能量硬X射线（ME-HXR）相机”的诊断系统，它不仅可以测量来自促进聚变反应的等离子体的广泛能量范围内的X射线发射，还可以探测将覆盖托卡马克内部的钨金属瓦片的X射线辐射，这些信息将揭示机器的极端热量是否已经从瓷砖中除去钨原子并将其推入等离子体中，如果钨原子在等离子体中大量存在就可能表明钨偏滤器已经开始熔化，这种钨含量的监测对防止机器损坏至关重要。另一种被称为“紧凑型X射线成像晶体光谱仪”（cXICS）的诊断仪则更像ITER中等离子的定位系统，它能创建等离子体的低分辨率二维横截面图像，显示杂质（包括氩，钼，氙和钨）的总体位置。将这是两种不同但互补的工具用于WEST的等离子体，可以为未来的融合器件研究提供重要信息，为推进人类ITER项目的研究具有重要的意义。