Gələcək nüvə füzyon enerjisi reaktorlarının daxili hissəsi Yer kürəsində indiyə qədər istehsal olunan ən sərt mühitlər arasında olacaq. Bir sintez reaktorunun içini Yer atmosferinə yenidən daxil olan kosmik gəmilərə bənzər plazma istehsal olunan istilik axınından qorumaq üçün kifayət qədər güclü nə var?

ORNL tədqiqatçıları volframın aşınmasını, daşınmasını və yenidən çökməsini izləmək üçün təbii volframdan (sarı) və zənginləşdirilmiş volframdan (narıncı) istifadə ediblər. Volfram füzyon cihazının içini zirehləmək üçün aparıcı seçimdir.

Zeke Unterberg və Energetika Departamentinin Oak Ridge Milli Laboratoriyasındakı komandası hazırda aparıcı namizədlə işləyir: dövri cədvəldəki bütün metallar arasında ən yüksək ərimə nöqtəsi və ən aşağı buxar təzyiqinə malik volfram, həmçinin çox yüksək dartılma gücü— uzun müddət sui-istifadə etmək üçün əlverişli hala gətirən xüsusiyyətlər. Onlar volframın ərimə reaktorunda, işıq atomlarını günəşin nüvəsindən daha isti temperatura qədər qızdıraraq enerjini əritmək və buraxmaq üçün necə işləyəcəyini anlamağa yönəliblər. Füzyon reaktorunda hidrogen qazı hidrogen plazmasına çevrilir - qismən ionlaşmış qazdan ibarət olan maddə vəziyyəti - sonra kiçik bir bölgədə güclü maqnit sahələri və ya lazerlər tərəfindən məhdudlaşdırılır.

ORNL-in Fusion Enerji Bölməsində baş tədqiqatçı alim Unterberq dedi: “Siz reaktorunuza cəmi bir neçə gün davam edən bir şey qoymaq istəmirsiniz. “Kifayət qədər ömrün olmasını istəyirsən. Çox yüksək plazma bombardmanının olacağını gözlədiyimiz ərazilərə volfram qoyuruq”.

2016-cı ildə Unterberg və komanda San Dieqodakı DOE Office of Science istifadəçi obyekti olan DIII-D Milli Fusion Facility-də plazma halqasını ehtiva etmək üçün maqnit sahələrindən istifadə edən tokamak sintez reaktorunda təcrübələr aparmağa başladılar. Onlar bilmək istəyirdilər ki, volfram tokamakın vakuum kamerasını zirehləmək üçün - onu plazmanın təsirindən tez məhv olmaqdan qoruyur - plazmanın özünü çox çirkləndirmədən. Bu çirklənmə, kifayət qədər idarə olunmasa, nəticədə birləşmə reaksiyasını söndürə bilər.

"Biz kameranın hansı sahələrinin xüsusilə pis olacağını müəyyənləşdirməyə çalışırdıq: volfram plazmanı çirkləndirə biləcək çirkləri əmələ gətirə bilər" dedi Unterberg.

Bunu tapmaq üçün tədqiqatçılar volframın zənginləşdirilmiş izotopundan W-182 və dəyişdirilməmiş izotopla birlikdə volframın eroziyasını, daşınmasını və divertorun içindən yenidən çökməsini izləmək üçün istifadə ediblər. Divertorun içərisində volframın hərəkətinə baxmaq - plazma və çirkləri yönləndirmək üçün nəzərdə tutulmuş vakuum kamerasındakı sahə - onlara onun tokamakdakı səthlərdən necə aşınması və plazma ilə qarşılıqlı əlaqəsi haqqında daha aydın təsəvvür yaratdı. Zənginləşdirilmiş volfram izotopu adi volframla eyni fiziki və kimyəvi xüsusiyyətlərə malikdir. DIII-D-də aparılan təcrübələrdə zənginləşdirilmiş izotopla örtülmüş kiçik metal əlavələrdən ən yüksək istilik axını zonasına, adətən divertorun uzaq hədəf bölgəsi adlanan zonasına deyil, yaxın yerləşdirilib. Ayrı-ayrılıqda, ən yüksək axınlara, vurma nöqtəsinə malik olan divertor bölgəsində tədqiqatçılar dəyişdirilməmiş izotoplu əlavələrdən istifadə etdilər. DIII-D kamerasının qalan hissəsi qrafitlə zirehlidir.

Bu quraşdırma tədqiqatçılara gəminin zirehinə və ondan gələn çirklilik axınını ölçmək üçün kameraya müvəqqəti yerləşdirilmiş xüsusi zondlarda nümunələr toplamağa imkan verdi ki, bu da onlara yönləndiricidən kameraya sızan volframın harada olması barədə daha dəqiq fikir verə bilərdi. yaranmışdır.

"Zənginləşdirilmiş izotopdan istifadə bizə unikal barmaq izini verdi" dedi Unterberg.

Bu, birləşmə cihazında aparılan ilk belə təcrübə idi. Məqsədlərdən biri, əsasən divertorda olan plazma-material qarşılıqlı təsirləri nəticəsində yaranan çirkləri saxlamaqla və füzyon istehsal etmək üçün istifadə olunan maqnitlə məhdudlaşan əsas plazmanı çirkləndirməməklə, kameranın zirehlənməsi üçün bu materiallar üçün ən yaxşı materialları və yerləri müəyyən etmək idi.

Divertorların dizaynı və istismarı ilə bağlı çətinliklərdən biri, kənar lokallaşdırılmış rejimlərin və ya ELM-lərin səbəb olduğu plazmada çirklərin çirklənməsidir. Bu sürətli, yüksək enerjili hadisələrdən bəziləri günəş partlayışlarına bənzəyir, divertor plitələri kimi gəmi komponentlərini zədələyə və ya məhv edə bilər. ELM-lərin tezliyi, bu hadisələrin saniyədə baş verməsi plazmadan divara ayrılan enerjinin miqdarının göstəricisidir. Yüksək tezlikli ELM-lər püskürmə başına az miqdarda plazma buraxa bilər, lakin ELM-lər daha az tez-tez olarsa, püskürmə başına ayrılan plazma və enerji yüksək olur və zədələnmə ehtimalı daha yüksəkdir. Son tədqiqatlar, pellet inyeksiyası və ya çox kiçik ölçülü əlavə maqnit sahələri kimi ELM-lərin tezliyini idarə etmək və artırmaq yollarına baxdı.

Unterberqin komandası, gözlədiyi kimi, volframın yüksək axın vurma nöqtəsindən uzaq olmasının daha yüksək enerji məzmununa və hər hadisə üçün səth təması olan aşağı tezlikli ELM-lərə məruz qaldıqda çirklənmə ehtimalını əhəmiyyətli dərəcədə artırdığını aşkar etdi. Əlavə olaraq, komanda müəyyən etdi ki, bu yönləndirici uzaq hədəf bölgəsi, ümumiyyətlə zərbə nöqtəsindən daha az axınlara malik olsa da, SOL-un çirklənməsinə daha çox meyllidir. Bu zahirən əks-intuitiv nəticələr bu layihə ilə bağlı davam edən divertor modelləşdirmə səyləri və DIII-D üzərində gələcək təcrübələrlə təsdiqlənir.

Bu layihədə Prinston Plazma Fizikası Laboratoriyası, Lourens Livermor Milli Laboratoriyası, Sandia Milli Laboratoriyaları, ORNL, General Atomics, Auburn Universiteti, San Dieqodakı Kaliforniya Universiteti, Toronto Universiteti, Tennessi Universiteti-Knoxville və Viskonsin-Madison Universiteti, çünki bu, plazma-material qarşılıqlı əlaqə tədqiqatı üçün əhəmiyyətli bir vasitə təmin etdi. DOE-nin Elm Ofisi (Fusion Energy Sciences) tədqiqata dəstək verdi.

Komanda bu ilin əvvəlində jurnalda onlayn araşdırma dərc etdiNüvə Fusion.

Tədqiqat dərhal Fransanın Cadarache şəhərində tikilməkdə olan Birgə Avropa Torus və ya JET və ITER-dən faydalana bilər, hər ikisi də yönləndirici üçün volfram zirehindən istifadə edir.

"Ancaq biz ITER və JET-dən kənarda olan şeylərə baxırıq - gələcəyin birləşmə reaktorlarına baxırıq" dedi Unterberg. “Volframı hara qoymaq daha yaxşıdır və volframı hara qoymaq olmaz? Bizim əsas məqsədimiz füzyon reaktorlarımız gələndə onları ağıllı şəkildə zirehləməkdir”.

Unterberg, zənginləşdirilmiş izotop örtüyünü eksperiment üçün faydalı bir forma qoymadan əvvəl inkişaf etdirən və sınaqdan keçirən ORNL-in unikal Stabil İzotoplar Qrupunun tədqiqatı mümkün etdiyini söylədi. Bu izotop, izotopik olaraq ayrılmış demək olar ki, hər bir elementin ehtiyatını saxlayan ORNL-dəki Milli İzotop İnkişaf Mərkəzindən başqa heç bir yerdə mövcud ola bilməzdi.

“ORNL-nin bu tip tədqiqatlar üçün unikal təcrübəsi və xüsusi istəkləri var” dedi Unterberg. "Bizim izotopları inkişaf etdirmək və onlardan bütün dünyada müxtəlif tətbiqlərdə hər cür tədqiqatda istifadə etmək uzun irsimiz var."

Bundan əlavə, ORNL US ITER-i idarə edir.

Daha sonra komanda volframın müxtəlif formalı divertorlara qoyulmasının nüvənin çirklənməsinə necə təsir göstərə biləcəyinə baxacaq. Fərqli yönləndirici həndəsələr plazma-material qarşılıqlı təsirinin əsas plazmaya təsirini minimuma endirə bilər, onlar nəzəriyyə etdilər. Divertorun ən yaxşı formasını bilmək - maqnitlə məhdudlaşan plazma cihazı üçün zəruri komponent - elm adamlarını həyat qabiliyyətli plazma reaktoruna bir addım daha yaxınlaşdırardı.

“Əgər biz bir cəmiyyət olaraq nüvə enerjisinin baş verməsini və növbəti mərhələyə keçmək istədiyimizi söyləsək,” Unterberg deyib, “qaynaşma müqəddəs qrail olardı”.