Die binnekant van toekomstige kernfusie-energiereaktore sal een van die moeilikste omgewings wees wat ooit op aarde geproduseer is. Wat is sterk genoeg om die binnekant van 'n samesmeltingsreaktor te beskerm teen plasma-geproduseerde hittevloede soortgelyk aan ruimtependeltuie wat weer die aarde se atmosfeer binnegaan?

ORNL-navorsers het natuurlike wolfram (geel) en verrykte wolfram (oranje) gebruik om die erosie, vervoer en herafsetting van wolfram na te spoor. Tungsten is die toonaangewende opsie om die binnekant van 'n samesmeltingstoestel te bepantser.

Zeke Unterberg en sy span by die Departement van Energie se Oak Ridge Nasionale Laboratorium werk tans saam met die voorste kandidaat: wolfram, wat die hoogste smeltpunt en die laagste dampdruk van alle metale op die periodieke tabel het, asook baie hoë treksterkte— eiendomme wat dit goed geskik maak om vir lang tydperke misbruik te neem. Hulle is daarop gefokus om te verstaan ​​hoe wolfraam binne 'n samesmeltingsreaktor sal werk, 'n toestel wat ligte atome verhit tot temperature warmer as die son se kern sodat hulle saamsmelt en energie vrystel. Waterstofgas in 'n samesmeltingsreaktor word omgeskakel in waterstofplasma - 'n toestand van materie wat uit gedeeltelik geïoniseerde gas bestaan ​​- wat dan in 'n klein gebied deur sterk magnetiese velde of lasers beperk word.

"Jy wil nie iets in jou reaktor plaas wat net 'n paar dae hou nie," het Unterberg, 'n senior navorsingswetenskaplike in ORNL se Fusion Energy-afdeling, gesê. “Jy wil genoeg leeftyd hê. Ons plaas wolfram in gebiede waar ons verwag dat daar baie hoë plasmabombardemente sal wees.”

In 2016 het Unterberg en die span eksperimente begin uitvoer in die tokamak, 'n samesmeltingsreaktor wat magnetiese velde gebruik om 'n ring plasma te bevat, by die DIII-D National Fusion Facility, 'n DOE Office of Science-gebruikersfasiliteit in San Diego. Hulle wou weet of wolfram gebruik kan word om die tokamak se vakuumkamer te pantser—om dit te beskerm teen vinnige vernietiging wat veroorsaak word deur die effekte van plasma—sonder om die plasma self erg te besoedel. Hierdie besoedeling, indien dit nie voldoende bestuur word nie, kan uiteindelik die samesmeltingsreaksie blus.

"Ons het probeer om vas te stel watter areas in die kamer besonder sleg sou wees: waar die wolfram waarskynlik onsuiwerhede sou genereer wat die plasma kan besoedel," het Unterberg gesê.

Om dit te vind, het die navorsers 'n verrykte isotoop van wolfram, W-182, saam met die ongemodifiseerde isotoop gebruik om die erosie, vervoer en herafsetting van wolfraam van binne die afleider op te spoor. Deur na die beweging van wolfraam binne die afleider te kyk - 'n area binne die vakuumkamer wat ontwerp is om plasma en onsuiwerhede af te lei - het hulle 'n duideliker beeld gegee van hoe dit van oppervlaktes binne die tokamak erodeer en met die plasma in wisselwerking tree. Die verrykte wolfram-isotoop het dieselfde fisiese en chemiese eienskappe as gewone wolfram. Die eksperimente by DIII-D het klein metaal-insetsels gebruik wat bedek is met die verrykte isotoop wat naby, maar nie by, die hoogste hittevloedsone geplaas is nie, 'n area in die vaartuig wat tipies die ver-teikengebied van die afleiding genoem word. Afsonderlik, by 'n herleigebied met die hoogste vloede, die trefpunt, het navorsers insetsels met die ongemodifiseerde isotoop gebruik. Die res van die DIII-D kamer is gepantser met grafiet.

Hierdie opstelling het die navorsers in staat gestel om monsters te versamel op spesiale sondes wat tydelik in die kamer geplaas is om onreinheidvloei na en van die vaartuigpantser te meet, wat hulle 'n meer presiese idee kan gee van waar die wolfraam wat weggelek het van die afleider in die kamer gehad het. ontstaan ​​het.

"Die gebruik van die verrykte isotoop het ons 'n unieke vingerafdruk gegee," het Unterberg gesê.

Dit was die eerste so 'n eksperiment wat in 'n samesmeltingstoestel uitgevoer is. Een doelwit was om die beste materiale en ligging vir hierdie materiaal vir kamerbewapening te bepaal, terwyl onsuiwerhede wat veroorsaak word deur plasma-materiaal-interaksies grootliks deur die afleier gehou word en nie die magneet-beperkte kernplasma wat gebruik word om samesmelting te produseer, besoedel nie.

Een komplikasie met die ontwerp en werking van afleiers is onreinheidsbesoedeling in die plasma wat veroorsaak word deur randgelokaliseerde modusse, of ELMs. Sommige van hierdie vinnige, hoë-energie-gebeurtenisse, soortgelyk aan sonvlamme, kan vaartuigkomponente soos afleiplate beskadig of vernietig. Die frekwensie van die ELM's, die tye per sekonde wat hierdie gebeure plaasvind, is 'n aanduiding van die hoeveelheid energie wat van die plasma na die muur vrygestel word. Hoëfrekwensie ELM's kan lae hoeveelhede plasma per uitbarsting vrystel, maar as die ELM's minder gereeld voorkom, is die plasma en energie wat per uitbarsting vrygestel word hoog, met 'n groter waarskynlikheid vir skade. Onlangse navorsing het gekyk na maniere om die frekwensie van ELM's te beheer en te verhoog, soos met korrelinspuiting of bykomende magnetiese velde teen baie klein groottes.

Unterberg se span het gevind, soos hulle verwag het, dat die feit dat die wolfram ver van die hoë-vloed trefpunt is, die waarskynlikheid van kontaminasie aansienlik verhoog het wanneer dit blootgestel word aan lae-frekwensie ELM's wat hoër energie-inhoud en oppervlakkontak per gebeurtenis het. Boonop het die span gevind dat hierdie versteurde ver-teikenstreek meer geneig was tot besoedeling van die SOL, al het dit oor die algemeen laer vloede as die trefpunt. Hierdie oënskynlik teen-intuïtiewe resultate word bevestig deur voortdurende afleidingsmodelleringspogings met betrekking tot hierdie projek en toekomstige eksperimente op DIII-D.

Hierdie projek het 'n span kundiges van regoor Noord-Amerika betrek, insluitend medewerkers van Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn Universiteit, die Universiteit van Kalifornië in San Diego, die Universiteit van Toronto, die Universiteit van Tennessee-Knoxville, en die Universiteit van Wisconsin-Madison, aangesien dit 'n belangrike hulpmiddel vir plasma-materiaal interaksie navorsing verskaf het. DOE se Kantoor vir Wetenskap (Fusie-energiewetenskappe) het ondersteuning vir die studie gebied.

Die span het vroeër vanjaar navorsing aanlyn in die joernaal gepubliseerKernsamesmelting.

Die navorsing kan onmiddellik baat vind by die Joint European Torus, of JET, en ITER, wat nou in Cadarache, Frankryk, in aanbou is, wat albei wolfraamwapens vir die afleier gebruik.

"Maar ons kyk na dinge buite ITER en JET - ons kyk na die fusiereaktors van die toekoms," het Unterberg gesê. “Waar is dit die beste om wolfraam te sit, en waar moet jy nie wolfraam sit nie? Ons uiteindelike doelwit is om ons samesmeltingsreaktors, wanneer hulle kom, op 'n slim manier te pantser.”

Unterberg het gesê ORNL se unieke Stable Isotopes Group, wat die verrykte isotoopbedekking ontwikkel en getoets het voordat dit in 'n vorm geplaas is wat nuttig is vir die eksperiment, het die navorsing moontlik gemaak. Daardie isotoop sou nêrens beskikbaar gewees het nie, behalwe by die Nasionale Isotoop-ontwikkelingsentrum by ORNL, wat 'n voorraad van byna elke element isotoopies geskei hou, het hy gesê.

"ORNL het unieke kundigheid en besondere begeertes vir hierdie tipe navorsing," het Unterberg gesê. "Ons het 'n lang nalatenskap van die ontwikkeling van isotope en die gebruik daarvan in alle soorte navorsing in verskillende toepassings regoor die wêreld."

Daarbenewens bestuur ORNL US ITER.

Vervolgens sal die span kyk hoe die besoedeling van die kern kan beïnvloed om wolfram in anders gevormde afleiers te plaas. Verskillende afleidergeometrieë kan die uitwerking van plasma-materiaal-interaksies op die kernplasma verminder, het hulle teoretiseer. Om die beste vorm vir 'n afleider te ken - 'n noodsaaklike komponent vir 'n magneties-beperkte plasmatoestel - sou wetenskaplikes 'n stap nader aan 'n lewensvatbare plasmareaktor plaas.

"As ons, as 'n samelewing, sê ons wil hê dat kernenergie moet plaasvind, en ons wil na die volgende fase beweeg," het Unterberg gesê, "sal samesmelting die heilige graal wees."