核融合能源新挑戰：碳元素成關鍵阻礙
普林斯頓電漿物理實驗室（PPPL）的研究人員近期發現，在核融合反應爐中，作為潛在燃料的氘（deuterium）與硼塗層壁面的互動作用，可能成為未來核融合能源發展的一大挑戰。這項研究不僅揭示了燃料滯留的機制，更點出了碳元素在捕捉燃料過程中的關鍵角色，為提升核融合系統效率（如法國的ITER計畫）提供了重要線索。
要打造實用的核融合能源系統，科學家必須深入瞭解電漿燃料如何與反應爐環境互動。在核融合反應爐中，電漿被加熱至極高溫度，部分原子會與反應爐壁面碰撞並嵌入其中。PPPL的研究物理學家Shota Abe指出，測量燃料被壁面捕捉的量，對於維持系統效率並減少放射性物質累積至關重要。Abe主導的這項研究已發表於《核材料與能源》期刊，探討氘在塗有硼的石墨壁面中的吸收情況。
研究團隊發現，硼塗層雖能減少電漿中的雜質，但其對燃料滯留的影響仍不明確。Abe表示，瞭解硼塗層與氘的互動作用，將有助於改善未來核融合電廠的材料選擇，例如ITER計畫。這項研究不僅有PPPL的參與，更匯集了普林斯頓大學、加州大學聖地牙哥分校、通用原子公司、田納西大學諾克斯維爾分校及桑迪亞國家實驗室等機構的專家，共同為核融合能源的商業化鋪路。
在商業核融合系統中，燃料通常由氘和氚（tritium）組成，其中氚具有放射性，因此實驗中使用氘作為替代品。PPPL的資深研究物理學家Alessandro Bortolon強調，氚的管理在商業規模的核融合系統中至關重要，一旦超過安全限制，整個系統將被迫停止運作。
令人意外的是，研究指出燃料滯留的主因並非硼塗層，而是碳元素。實驗顯示，即使微量的碳也會大幅增加氘燃料的滯留量。PPPL的研究物理學家Florian Effenberg解釋，碳與硼的結合會緊密捕捉氘，需高達攝氏538度（華氏1000度）的溫度才能破壞這種結合，這使得在不損壞系統的情況下移除燃料變得極為困難。
Effenberg進一步指出，碳是真正的麻煩製造者，必須盡可能減少其含量。研究團隊在DIII-D核融合系統中進行實驗，該系統目前使用石墨（一種碳的形式）作為壁面材料。Effenberg表示，未來希望以乾淨的鎢壁面取代石墨，以更接近ITER計畫的實際情況。
這項研究的優勢在於部分樣品直接在DIII-D核融合裝置中暴露於電漿環境。研究結果顯示，即使微量的碳也會大幅增加氚在壁面中的滯留量，這對未來核融合電廠的監管限制具有重要意義。這項研究不僅為核融合能源的發展提供了關鍵資料，更凸顯了材料選擇在核融合技術中的重要性。
