近日，美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)被选中领导两项新的研究合作，并在“聚变创新研究引擎”(FIRE)合作项目下参与另外两项合作。这些项目聚焦弥补聚变材料、包层和冷却剂技术、液态金属部件以及反应堆建模与仿真等方面的关键差距。
托卡马克聚变装置中面向等离子体的偏滤器组件表面及其底层氦冷却系统的数字化表示。SWIFT-PFCs 的 FIRE 合作项目将对虚拟组件进行建模，评估其受热和受粒子影响的情况，并利用这些数据设计能够承受聚变装置极端环境的下一代材料。图片来源：Adam Malin/ORNL，美国能源部
FIRE合作项目由美国能源部聚变能科学项目管理，通过多机构团队协作，将基础聚变研究与行业实际需求结合，为现实聚变挑战提供创新方案。此次，1.28亿美元资金将授予七个致力于创建聚变能科学技术创新生态系统的团队。
ORNL聚变能源部门主任特洛伊·卡特称，新的FIRE合作项目让ORNL有机会应用尖端聚变研究成果，推进实用成熟技术，为聚变试验工厂及未来发展铺路，也体现了实验室聚变能源项目的深度以及与各方建立的牢固合作关系。
ORNL主导或参与的FIRE合作项目涵盖多个重要领域：
在聚变材料方面，聚变装置内面向等离子体的部件需承受极端条件，现有材料无法满足需求。面向等离子体组件的集成聚变技术解决方案导向工作流程(SWIFT -PFC)和FIRE协作项目，将结合ORNL的材料专业知识和先进建模能力，缩小聚变材料差距，设计下一代面向等离子体组件(PFC)材料。未来四年，该项目将创建集成设计和评估工作流程，开发、测试、建模和迭代PFC材料系统，相关材料将在聚变条件下表征，用于验证和改进聚变模拟代码，指导下一代材料开发。橡树岭国家实验室材料科学与技术部首席研究员兼聚变材料研发负责人泽克·昂特伯格表示，项目致力于在加速时间内表创建严格审查的聚变材料系统，目标是开发新的聚变PFC范式。SWIFT -PFC是“加速腔室技术的综合材料计划”(IMPACT)的补充项目，IMPACT由田纳西大学的Steve Zinkle领导，将对聚变结构材料进行处理，研究先进的钒合金和可铸造纳米结构合金等材料。SWIFT -PFC由ORNL领导，联合研究员来自多所高校和国家实验室。
在包层测试设施方面，第一壁和包层是聚变装置关键部件，目前尚无设施能在集成环境中测试冷却剂和增殖剂原型。包层测试设施合作项目计划建造并运行氦盐技术实验(HASTE)设施，该设施将复制聚变包层内部环境，研究流动物理特性，改进模拟代码，测试氚增殖和提取技术，为磁聚变和惯性聚变系统子系统和组件提供试验平台。项目还将与英国和日本的合作伙伴合作，利用其设施补充研究工作，评估材料兼容性和腐蚀影响。橡树岭国家实验室包层和燃料循环组首席研究员兼负责人保罗·亨里克豪斯称，此次合作将加快测试包层概念，降低成本，加快聚变包层和材料创新步伐。BCTF项目由ORNL牵头，联合研究人员来自多所机构。
在液态金属技术方面，ORNL与普林斯顿等离子体物理实验室牵头的FIRE合作项目合作，推进液态金属等离子体材料和第一壁概念的成熟度。液态金属尤其是液态锂是未来聚变反应堆有希望的候选材料，但存在关键科学和工程问题。此次合作将通过测试分析组件、表征材料特性、开发新型合金以及验证模型来应对挑战。ORNL将设计全集成液态金属增殖/冷却系统(FILMS)，分析强磁场对金属流动的影响等。液态金属FIRE合作项目由PPPL牵头，ORNL首席研究员是Sergey Smolentsev。
在减轻突然失去约束风险方面，ORNL参与普林斯顿等离子体物理实验室领导的“减轻突然失去约束的风险”(MiRACL)项目。反应堆规模的磁约束聚变设施若约束突然丧失，会对组件造成严重损伤。MiRACL项目将量化风险，评估避免和减轻技术，部署建模工具优化聚变设施设计。ORNL将利用先进模拟工具和机器学习方法评估干扰缓解和避免技术。ORNL与项目牵头机构PPPL以及多所高校和公司研究人员合作开展MiRACL研究，ORNL MiRACL首席研究员是Yashika Ghai。
据悉，可在美国能源部科学办公室网站找到FIRE合作组织和合作机构的完整列表。德克萨斯大学巴特尔分校代表美国能源部科学办公室管理橡树岭国家实验室，该办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，致力于解决时代紧迫挑战。
