سيكون الجزء الداخلي من مفاعلات طاقة الاندماج النووي المستقبلية من بين أقسى البيئات التي تم إنتاجها على الأرض على الإطلاق. ما هي القوة الكافية لحماية الجزء الداخلي من مفاعل الاندماج من تدفقات الحرارة الناتجة عن البلازما المشابهة للمكوكات الفضائية التي تعود إلى الغلاف الجوي للأرض؟

استخدم باحثو ORNL التنغستن الطبيعي (الأصفر) والتنغستن المخصب (البرتقالي) لتتبع تآكل التنغستن ونقله وإعادة ترسيبه. التنغستن هو الخيار الرائد لتدريع الجزء الداخلي لجهاز الاندماج.

يعمل زيكي أونتربيرج وفريقه في مختبر أوك ريدج الوطني التابع لوزارة الطاقة حاليًا على المرشح الرئيسي: التنغستن، الذي يتمتع بأعلى نقطة انصهار وأقل ضغط بخار بين جميع المعادن في الجدول الدوري، فضلاً عن قوة شد عالية جدًا. الخصائص التي تجعله مناسبًا تمامًا لتحمل سوء الاستخدام لفترات طويلة من الزمن. إنهم يركزون على فهم كيفية عمل التنغستن داخل مفاعل الاندماج، وهو جهاز يقوم بتسخين ذرات الضوء إلى درجات حرارة أعلى من قلب الشمس بحيث تندمج وتطلق الطاقة. يتم تحويل غاز الهيدروجين في مفاعل الاندماج إلى بلازما الهيدروجين - وهي حالة من المادة تتكون من غاز متأين جزئيًا - والتي يتم بعد ذلك حصرها في منطقة صغيرة بواسطة مجالات مغناطيسية قوية أو أشعة ليزر.

يقول أونتربيرج، وهو عالم أبحاث كبير في قسم الطاقة الاندماجية في ORNL: "أنت لا تريد أن تضع شيئًا في مفاعلك يدوم يومين فقط". "أنت تريد أن يكون لديك عمر كافٍ. لقد وضعنا التنغستن في المناطق التي نتوقع أن يكون هناك قصف عالي جدًا بالبلازما فيها.

في عام 2016، بدأ أونتربيرج والفريق بإجراء تجارب في توكاماك، وهو مفاعل اندماجي يستخدم المجالات المغناطيسية لاحتواء حلقة من البلازما، في مرفق الاندماج الوطني DIII-D، وهو مرفق مستخدم تابع لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة في سان دييغو. لقد أرادوا معرفة ما إذا كان من الممكن استخدام التنغستن في درع حجرة التوكاماك المفرغة - لحمايتها من التدمير السريع الناجم عن تأثيرات البلازما - دون تلويث البلازما نفسها بشكل كبير. وهذا التلوث، إذا لم تتم إدارته بشكل كاف، يمكن أن يؤدي في النهاية إلى القضاء على تفاعل الاندماج.

وقال أونتربيرج: "كنا نحاول تحديد المناطق التي ستكون سيئة بشكل خاص في الغرفة: حيث من المرجح أن يولد التنغستن شوائب يمكن أن تلوث البلازما".

للعثور على ذلك، استخدم الباحثون نظير التنغستن المخصب، W-182، إلى جانب النظير غير المعدل، لتتبع تآكل التنغستن ونقله وإعادة وضعه من داخل المحول. إن النظر إلى حركة التنغستن داخل المحول - وهي منطقة داخل الغرفة المفرغة المصممة لتحويل البلازما والشوائب - أعطاهم صورة أوضح عن كيفية تآكله من الأسطح داخل التوكاماك وتفاعله مع البلازما. يتمتع نظير التنغستن المخصب بنفس الخصائص الفيزيائية والكيميائية مثل التنغستن العادي. استخدمت التجارب في DIII-D إدخالات معدنية صغيرة مغلفة بالنظائر المخصبة الموضوعة بالقرب من أعلى منطقة تدفق حراري، ولكن ليس عندها، وهي منطقة في الوعاء تسمى عادةً منطقة الهدف البعيد للمحول. بشكل منفصل، في منطقة المحول ذات أعلى التدفقات، وهي نقطة الإضراب، استخدم الباحثون إدخالات مع النظير غير المعدل. ما تبقى من غرفة DIII-D مدرع بالجرافيت.

سمح هذا الإعداد للباحثين بجمع عينات على مجسات خاصة تم إدخالها مؤقتًا في الغرفة لقياس تدفق الشوائب من وإلى درع السفينة، مما قد يمنحهم فكرة أكثر دقة عن مكان وجود التنغستن الذي تسرب بعيدًا عن المحول إلى الغرفة. نشأت.

وقال أونتربيرج: "إن استخدام النظير المخصب أعطانا بصمة فريدة".

وكانت هذه أول تجربة من نوعها يتم إجراؤها في جهاز الاندماج. كان أحد الأهداف هو تحديد أفضل المواد والموقع لهذه المواد لتسليح الحجرة، مع الحفاظ على الشوائب الناتجة عن تفاعلات مادة البلازما المحتوية إلى حد كبير على المحول وعدم تلويث البلازما الأساسية المحصورة بالمغناطيس المستخدمة لإنتاج الاندماج.

أحد تعقيدات تصميم المحولات وتشغيلها هو التلوث بالشوائب في البلازما الناتج عن الأوضاع الموضعية للحافة، أو ELMs. يمكن لبعض هذه الأحداث السريعة عالية الطاقة، المشابهة للتوهجات الشمسية، أن تلحق الضرر أو تدمر مكونات السفينة مثل لوحات المحول. يعد تردد ELMs، وعدد مرات حدوث هذه الأحداث في الثانية، مؤشرًا على كمية الطاقة المنبعثة من البلازما إلى الجدار. يمكن أن تطلق ELMs عالية التردد كميات منخفضة من البلازما لكل ثوران، ولكن إذا كانت ELMs أقل تواتراً، فإن البلازما والطاقة المنطلقة لكل ثوران تكون عالية، مع احتمال أكبر للضرر. وقد بحثت الأبحاث الحديثة في طرق التحكم في ترددات ELM وزيادتها، مثل حقن الحبيبات أو المجالات المغناطيسية الإضافية بمقادير صغيرة جدًا.

وجد فريق Unterberg، كما توقعوا، أن وجود التنغستن بعيدًا عن نقطة الضربة عالية التدفق يزيد بشكل كبير من احتمالية التلوث عند تعريضه لـ ELMs منخفضة التردد والتي تحتوي على محتوى طاقة أعلى وتلامس سطحي لكل حدث. بالإضافة إلى ذلك، وجد الفريق أن منطقة الهدف البعيد للمحول هذه كانت أكثر عرضة لتلوث SOL على الرغم من أنها تحتوي بشكل عام على تدفقات أقل من نقطة الضرب. يتم تأكيد هذه النتائج التي تبدو غير بديهية من خلال جهود نمذجة المحولات المستمرة فيما يتعلق بهذا المشروع والتجارب المستقبلية على DIII-D.

ضم هذا المشروع فريقًا من الخبراء من جميع أنحاء أمريكا الشمالية، بما في ذلك متعاونون من مختبر برينستون لفيزياء البلازما، ومختبر لورانس ليفرمور الوطني، ومختبرات سانديا الوطنية، وORNL، وجنرال أتوميكس، وجامعة أوبورن، وجامعة كاليفورنيا في سان دييغو، وجامعة تورنتو، وجامعة تينيسي-نوكسفيل، وجامعة ويسكونسن-ماديسون، لأنها قدمت أداة مهمة لأبحاث التفاعل بين البلازما والمواد. قدم مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة (علوم الطاقة الاندماجية) الدعم للدراسة.

نشر الفريق بحثًا عبر الإنترنت في وقت سابق من هذا العام في المجلةالاندماج النووي.

يمكن أن يفيد هذا البحث على الفور مشروعي Torus الأوروبي المشترك، أو JET، وITER، قيد الإنشاء الآن في كاداراش، فرنسا، وكلاهما يستخدم درع التنغستن للمحول.

وقال أونتربيرج: "لكننا ننظر إلى أشياء تتجاوز ITER وJET، فنحن ننظر إلى مفاعلات الاندماج في المستقبل". "أين من الأفضل وضع التنغستن، وأين لا ينبغي أن تضع التنغستن؟ هدفنا النهائي هو تجهيز مفاعلاتنا الاندماجية بطريقة ذكية عند وصولها.»

وقال Unterberg إن مجموعة النظائر المستقرة الفريدة من نوعها التابعة لـ ORNL، والتي طورت واختبرت طبقة النظائر المخصبة قبل وضعها في شكل مفيد للتجربة، جعلت البحث ممكنًا. وقال إن هذا النظير لم يكن متاحًا في أي مكان سوى من المركز الوطني لتطوير النظائر في ORNL، الذي يحتفظ بمخزون من كل عنصر تقريبًا منفصلاً نظائريًا.

قال أونتربيرج: "تتمتع ORNL بخبرة فريدة ورغبات خاصة في هذا النوع من الأبحاث". "لدينا إرث طويل من تطوير النظائر واستخدامها في جميع أنواع الأبحاث في تطبيقات مختلفة حول العالم."

بالإضافة إلى ذلك، تدير شركة ORNL مشروع US ITER.

بعد ذلك، سينظر الفريق في كيفية تأثير وضع التنغستن في محولات ذات أشكال مختلفة على تلوث القلب. لقد افترضوا أن الأشكال الهندسية المختلفة للمحولات يمكن أن تقلل من تأثيرات تفاعلات مادة البلازما على البلازما الأساسية. إن معرفة أفضل شكل للمحول - وهو مكون ضروري لجهاز بلازما محصور مغناطيسيًا - من شأنه أن يقرب العلماء خطوة واحدة من مفاعل بلازما قابل للحياة.

وقال أونتربيرج: "إذا قلنا، كمجتمع، إننا نريد استخدام الطاقة النووية، ونريد الانتقال إلى المرحلة التالية، فإن الاندماج النووي سيكون الكأس المقدسة".