Chase Taylor 博士
核聚变能被许多人视为清洁的可再生能源。自上世纪 20 年代起，科学家们就开始了核聚变的研究，但当时技术与成本问题始终阻碍着项目的进一步发展。好消息是，随着科技的飞速进步，第一个核聚变反应堆预计将于2025年正式启动，并有望替代传统发电方式。核力工程师 Chase Taylor 博士是核研究机构爱达荷国家实验室的高级研究员。他正在努力使商业化聚变反应堆成为可能。
众所周知，核能发电是一种利用原子核的变化来产生电能的热力发电方式。它有两种基本形式：核裂变与核聚变。核裂变提供了稳定和可靠的电力供应，已被广泛应用于核电站。虽然它排放低，且经久耐用，但如果设计或管理不当很可能造成巨大的灾害性事故。切尔诺贝利和福岛事件就是非常惨痛的教训，警示着人类核裂变发电的危险性。
因而人们对已在研究中的核聚变有了更多期待。核聚变是指由质量小的原子，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大能量释放的一种核反应形式。太阳发光发热的能量来源就是核聚变。聚变反应堆使用氢的同位素氘和氚作为燃料，此类聚变燃料丰富且容易获得，氘可以从海水中廉价提取，而氚可以利用丰富的天然锂生产。聚变的另一个好处是它几乎不存在失控的灾难性核事件，比如熔毁。
“熔毁是不可能发生的，” Taylor 博士说道。“这并不是说聚变反应堆的工程是绝对安全的，这只是聚变的物理特性。简单来说，一旦出现问题，聚变反应就会停止。因为独特的物理特性使得聚变反应只能在严格的操作条件下发生，在事故或系统故障的情况下，聚变反应将自然终止并很快失去能量，在对反应堆造成持续损害之前就熄灭了。
聚变过程
磁约束热核聚变是目前开发聚变能源中最有希望的途径。聚变反应堆将等离子体气体加热到极高的温度，并用磁铁压缩。聚变反应堆产生的中子会穿透反应堆的内壁，形成缝隙。氘和氚则不可避免地会泄漏并撞击到内壁，通过缝隙渗入到钨砖内部，这不仅是一个潜在的安全隐患，也是造成生产效率始终无法突破的原因之一。因为每个运营商能够使用的氘和氚的量是有标准限度的，如果其中一部分滞留在反应堆容器壁，则无法生产电力，造成损失。“我们想搞清楚有多少用作燃料的氘和氚被滞留在了钨砖中，以及它们的渗透深度。” Taylor 博士说。“通过研究氘和氚的穿透程度和深度，我们可以更好地理解这个过程。”
有两种标准技术可用于测量渗入容器壁的元素总量。一种是加热钨砖样品，将所有被困的氘和氚煮沸，然后用四极质谱仪进行测量。但这无法确定同位素被困在样品中的深度。另一种技术是核反应分析。遗憾的是，该技术在钨中仅能探测 3 到 8 微米之间的深度，对于更深的区域则无能为力。“有部分观点认为，核反应分析遗漏了滞留在样品中的氘或氚总量的 90%。” Taylor 博士说。“因此，很难通过这个技术判断究竟有多少氘和氚被滞留。”经过多番搜寻，他终于找到了一种对元素十分敏感的技术，可以帮助人们更深入地观察样品，这项技术就是辉光放电发射光谱法 (简称为 GD-OES 或 GDS ) 。
GDS技术能够深入探查样品，表征其成分并测量放射性物质的穿透深度。“很少有技术对氘和氚敏感，” Taylor 博士说道。“但GDS能够做到。而且这项技术还能让我们快速探查到 100 微米的深度，远远超过了目前聚变材料领域的标准能力。”在实践中， GDS技术甚至能用于检测氘和氚是否从容器壁背面渗出，还是仅仅滞留在容器壁中间。因而这项技术对科学家们至关重要，了解了燃料渗透的程度和深度，科学家就可以优化系统设计以控制并管理同位素的损失。
那么Taylor 博士团队具体是怎么做的呢？
首先，研究小组利用线性等离子体装置，模拟了聚变反应堆最大能量输出的场景。Taylor 博士用线性等离子体装置将氘和氚注入钨砖。“这样我们就知道有多少氘和氚撞击了钨砖，”他说。“然后我们将钨砖放入辉光放电系统，测量实际滞留在里面的同位素量以及深度。”接下来，研究人员用这些信息建立据库，就能推断出各种条件下元素材料渗透到钨砖中的程度。这些条件包括通量、每秒钟撞击钨砖的粒子数量、温度（范围在 200 到 1200 摄氏度之间）、聚变反应的副产品氦的浓度等等。
Taylor博士使用 HORIBA GD-Profiler 2 辉光放电光谱仪（GDS）进行分析。GD-Profiler 2 支持所有相关元素的快速、同时分析，包括氮、氧、氢和氯。它是薄膜和厚膜表征以及工艺研究的理想工具。
HORIBA GD Profiler 2 辉光放电光谱仪
一项名为“ITER”的国际热核聚变实验堆计划正在展开，是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，其目标是在和平利用聚变能的基础上，探索聚变在科学和工程技术上的可行性，它是实现聚变能商业化必不可少的一步。“ITER”聚变反应堆建于法国南部，将是世界上第一个产生净能量的聚变装置。“如果成功，商业组织将有望自行研发聚变反应堆，由于发展和监管问题，我们可能还需要几十年的时间。”Taylor 博士说。
Taylor博士与聚变科学的渊源要追溯到他的本科生时期，当时 Taylor 参与了一项裂变相关的实习工作。他说：“我参加了一个关于核聚变的午餐研讨会，这给我留下了深刻的印象。直到那时我才真正开始了解核聚变。”
聚变科学的高度复杂性深深吸引了他。如今 Taylor 已获得了核工程硕士和博士学位，他的研究重点是聚变材料，而这与地球未来的健康发展将休戚相关。正如“ITER” 在拉丁语中的意思是“道路或旅程”那样，他的研究之路道阻且长，但我们看到希望的种子正在生根发芽！
