核聚变100问(24)：什么是锂托卡马克？

锂托卡马克（Lithium Tokamak）是一种实验性的核聚变设备，它利用液态锂作为面对等离子体的材料（PFM），并可作为冷却剂和辐射屏蔽。

在传统的托卡马克实验中，氢原子会与反应室的壁发生相互作用，导致能量损失和聚变效率降低。为了解决这一问题，科学家们在托卡马克的内壁涂覆了锂。这种锂涂层的应用，被称为锂托卡马克实验-beta（LTX-B），它显著改变了反应室壁的性质，提高了氢原子的保留效率。

锂托卡马克的概念在于使用液态锂作为其内部面对等离子体的材料，这具有多个潜在优势：

• 辐射冷却：锂可以吸收等离子体发出的辐射，帮助降低等离子体的温度并提高聚变效率。

• 氚增殖：锂与聚变反应产生的中子相互作用，可以生成氚，这是一种聚变燃料。这意味着锂托卡马克可以在现场产生它自己的燃料。

• 低原子序数：锂的原子序数较低，意味着它对等离子体的辐射损失较小。

• 清洁和维护：液态锂可以作为一种自愈材料，帮助维持设备的清洁，减少维护需求。

• 屏蔽：锂还可以起到屏蔽作用，保护设备免受中子辐射的损害。

锂涂层的应用对于控制等离子体边缘的氢原子具有显著效果。在没有锂涂层的情况下，大量的氢原子会从托卡马克壁反弹回等离子体中。而锂涂层的加入，可以减少这种反弹，从而在等离子体边缘保持更高的温度和稳定性，为反应堆内部的聚变反应提供更多的空间。

LTX-β 内部的视图显示了在清除壳壁上的锂并打开多个端口后，环形等离子体密封装置的样子。PPPL 研究物理学家丹尼斯·博伊尔从中右往里看。 （照片来源：Elle Starkman/PPPL 通讯办公室）

在最新的研究中，PPPL的研究团队发现，在等离子体边缘开始冷却之前，LTX-B内等离子体边缘的中性粒子可以达到最大密度。他们认为，为了维持聚变效率，等离子体边缘的密度必须保持在1x10^19 m^-3以下。这一发现是首次为LTX-B设定了此类标准，对于优化锂托卡马克实验具有重要意义。

锂托卡马克的研究为核聚变能源的实现提供了新的可能性。通过改进反应室壁的材料，科学家们能够更有效地控制等离子体，提高聚变反应的效率和稳定性。随着研究的深入，未来锂托卡马克有望成为实现清洁、可持续聚变能源的关键技术之一。 

参考资料：

1. https://www.cas.cn/kj/201610/t20161019_4578289.shtml

2. https://www./article/articleinfo?business_type=100&classify=0&ar_id=482567

3. http://www./xwdt/kydt/201703/t20170313_363613.html
4. https://www./news/2024/liquid-lithium-walls-fusion-device-helps-plasma-within-maintain-hot-edge

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