据普渡大学网站7月27日消息，该校研究人员发现了在热核聚变反应堆中，热等离子体与反应堆内壁之间相互反应的关键机制。这项工作是研发能够抵抗聚变反应堆内部严苛环境的内层的一部分，研究受到美国能源部聚变能科学办公室的资助。合作者还包括来自普林斯顿大学等离子体物理实验室的研究人员，该校运行有美国唯一的一个球型托卡马克反应堆NSTE。

普渡大学的研究关注于“等离子体-材料界面”，这一关键区域是聚变反应堆内层与极热等离子体接触的地方。该校核工程助理教授Paul Allain表示，核材料工程师们正在利用纳米技术确定内层工作时的细微特征，旨在开发新的“接触等离子体”材料，能够承受辐射伤害。

研究人员考虑使用的一种内衬材料是锂，加入到反应堆内层石墨壁中，创建出一种名为锂化石墨的崭新材料。在聚变反应时，一些氘原子撞击反应堆内壁，使其或者“泵出”与锂化石墨结合，或返回反应核心。这一过程可由这些内衬来控制保持多少氘燃料。

Allain表示，他们明白了锂化石墨如何控制氢的循环。研究人员首次从原子层面系统观察了锂化石墨“泵出”氘原子的化学和物理反应，有助于了解如何修整托卡马克的内表面。

详细的研究成果发表在两篇会议论文上，一篇是5月份举办的19届国际等离子表面相互反应会议的会议论文[1]，另一篇提交给8月2-6日在加州大学洛杉矶分校举办的核聚变科学技术/接触等离子组件会议。

寻找聚变反应堆合适内层的一个主要挑战是由于反应堆内部的极端条件而导致的材料改变。在正常等离子体表面相互反应条件下产生的能量导致锂化石墨表面发生微小的微米和纳米尺度的“自组织”特征。但在由极端内部环境引发的损害之前，锂化石墨表面“泵出”氘原子效应只能维持几秒钟，因此研究人员正在试图改进材料耐久性，关键是理解如何利用自组织结构和方式。

研究人员还将研究一种特殊的、插入托卡马克的“等离子体-材料界面探针”材料。普林斯顿实验室将利用一个专门的原位表面分析设施实验室来研究探针材料，实时表征材料界面发生的变化。研究人员利用计算模型将实验中得到的基础物理现象将在托卡马克内部观察到的现象联系起来，利用分析数据加以验证。

未来工作还包括研究特殊表面结构所起的作用，以及托卡马克内层形成的纳米尺度结构。

[1] C.N. Taylor, B. Heim, O. El-Atwani. Surface Chemistry and Physics of D-Retention in Lithiated Graphite. http://nstx.pppl.gov/DragNDrop/Scientific_Conferences/PSI/2010/abstracts/Taylor_PSI19_abstract_submitted.pdf.