近日，由美国普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）与韩国聚变能源研究院（KFE）组成的联合科研团队首次在升级为钨偏滤器的KSTAR装置中验证了硼粉注入技术的高效壁处理能力。这项研究不仅为超导聚变装置的实时杂质控制提供了全新方案，更为ITER等下一代聚变堆的稳定运行铺平了道路。研究成果以论文形式发表在《Nuclear Fusion》上，标题为《Wall conditioning effects of boron powder injection in KSTAR with a tungsten divertor》。
一、聚变装置的 "杂质困境" 与壁处理技术革命
聚变等离子体中高浓度的杂质会引发两大致命问题：一是通过辐射损失消耗大量能量，二是破坏等离子体稳定性并降低能量约束时间。对于采用钨等高性能金属作为面向等离子体材料（PFCs）的装置而言，高Z（高原子序数）钨杂质的辐射损失尤为严重——其核心辐射功率远高于低Z元素，可能直接导致等离子体熄灭。
传统的壁处理方法如辉光放电硼化（Glow Discharge Boronization，GDB）虽能有效抑制杂质，却受限于强磁场环境：超导线圈通电时无法开展，难以适配KSTAR等长脉冲装置的连续运行需求。而杂质粉末注入器（Impurity powder droppers，IPD）技术的出现打破了这一桎梏——通过在等离子体放电期间直接注入硼粉，可实时形成保护性硼膜，实现 "边运行边维护" 的突破。
KSTAR装置的此次实验具有特殊意义：其2023年升级的下偏滤器采用了与ITER同源的水冷钨单块结构，能承受10MW/m²的极端热流，是目前最接近聚变堆真实环境的实验平台。在这一平台上验证硼粉注入效果，无疑为下一代装置提供了关键参考。
二、实验设计：精准调控的硼粉注入系统
研究团队在KSTAR装置上构建了一套高精度硼粉注入与诊断体系，为实验的成功奠定了基础。
KSTAR核心装置参数：作为中等规模超导托卡马克，大半径1.8m、小半径0.5m，配备12MW中性束注入（NBI）和3.8MW电子回旋加热（ECH）系统，可产生稳定的L模（低约束模）和H模（高约束模）等离子体。升级后的钨偏滤器由64个环向模块组成，实验前通过真空烘烤（<250℃）和辉光放电清洗将基压降至1×10⁻⁸Torr，确保初始杂质水平可控。
硼粉注入系统：采用PPPL研制的IPD系统，通过压电致动器的共振振动控制硼粉释放，注入速率可在2-200mg/s范围内精准调节。所用硼粉纯度达99.9%，颗粒尺寸<150μm，经光闸流量计校准后，从装置顶部注入，经4.5m路径到达等离子体，延迟时间约2.2s。
多维度诊断：为全面评估效果，实验部署了多套诊断设备：双色干涉仪（TCI）测量核心与边缘电子密度，电子回旋辐射（ECE）系统监测电子温度，可见光谱仪与滤光片系统分别追踪B-II、O-II、W-I和C-III的特征谱线，红外辐射热测量计则用于重建辐射功率的二维分布。
三、L模等离子体中的突破性发现
在8.5秒长的L模放电实验中，团队分阶段注入累计27mg硼粉，观察到一系列显著的壁处理效果：
- 等离子体参数的优化：随着硼粉注入量增加，核心电子密度（t=3s时）从1.3-1.5×10¹⁹m⁻³ 降至0.4×10¹⁹m⁻³，降幅达 65%，边缘密度同步下降70%，表明硼膜有效抑制了壁材料的粒子释放。与此同时，总辐射功率降低45%，其中芯部辐射占比从34%骤降至13%，SOL（刮削层）辐射占比则从 66% 升至 87%，清晰显示杂质主导的芯部辐射被有效抑制。
- 杂质发射的显著抑制：氧（O-II）和钨（W-I）的特征谱线强度分别降低 75%，直接证明硼的氧吸附作用和对钨溅射的抑制效果。值得注意的是，硼（B-II）发射在注入阶段增加100%，证实硼粉成功进入等离子体并形成涂层；而碳（C-III）发射在累计注入18mg 后反常升至基线的1.75倍，推测与硼溅射再沉积碳或刮削层（SOL）参数变化相关，需进一步研究。
- 能量约束的稳定：尽管密度下降，芯部电子温度在预注入阶段从1.8keV升至 3.5keV（升幅 94%），等离子体储能（Wₘₕₐ）却保持稳定，符合恒定芯部电子压力下的密度-温度补偿机制，表明等离子体整体约束性能未受负面影响。
四、H模等离子体中的关键验证
在19.5秒的H模放电中，累计注入131mg硼粉的实验进一步验证了技术的普适性，并揭示了新的物理机制。
核心参数的优化趋势：
核心电子密度降低30%，有效电荷数Zeff从2.5降至 2.0（降幅 20%），直接反映杂质总含量的减少。总辐射功率降低 40%，且辐射分布呈现 "芯部降、SOL稳" 的特征，与L模结果一致，表明硼粉注入对不同约束模式均有效。
ELM行为的变化：
边缘局域模（ELM）的 Dα信号幅度增加43%，这与Zeff降低导致的台基碰撞率下降相关，符合ELM幅度与碰撞率的负相关性理论，为理解边界不稳定性提供了新视角。
粒子平衡与壁泵浦特性：
全局粒子平衡分析显示，稳态阶段壁泵浦率变化<2%（从5.0×10²⁰D/s至4.9×10²⁰D/s），但启动阶段壁加料（释气）显著减少，表明硼膜主要通过抑制初始粒子释放发挥作用。值得注意的是，氘保留率仅为0.001D/B 原子，说明该技术对燃料滞留影响微弱，规避了聚变堆中的一大潜在风险。
五、颠覆性意义与未来展望
这项研究的发现具有多维度的突破性意义：
技术层面：首次在钨偏滤器KSTAR中证实，硼粉注入可实时降低氧和钨杂质水平，且效果优于ASDEX-Upgrade、WEST等装置——在其他装置中钨发射常因硼注入暂时升高，而KSTAR中钨发射持续降低，可能源于硼膜对钨表面的有效覆盖或SOL离子能量的降低。这一独特现象为钨杂质控制提供了新思路。
机制层面：动态粒子平衡分析表明，壁处理效果主要源于本征杂质减少，而非壁再循环率变化，这与传统认知不同，为优化壁处理策略提供了关键依据。同时，L模与H模对硼粉需求量的差异（20mg vs 100mg），揭示了辅助功率和等离子体密度对硼消耗的显著影响，为剂量优化指明方向。
应用前景：研究结果直接支持将低Z粉末注入作为ITER的风险缓解策略——ITER已将GDB纳入研究计划（
ITER全钨第一壁的背后：高效硼化系统预计将在2028年开始安装
），而硼粉注入可作为实时补充手段，助力实现 Q=10的目标。未来需进一步研究硼膜的氧化演化（从亚氧化物到B₂O₃的转变），确定膜失效阈值，为开发反馈控制系统奠定基础。
随着KSTAR后续实验的推进，硼粉注入技术有望在聚变堆的长脉冲稳定运行中发挥核心作用，让人类离清洁聚变能源的梦想更近一步。
参考资料：
- https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/adf123
- https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/adf123/pdf
- https://biz.chosun.com/en/en-science/2025/08/06/R2X3DJXW5ND45H3GGPHUXUZZOY/