Унутранасць будучых рэактараў ядзернага сінтэзу будзе адной з самых суровых умоў, калі-небудзь створаных на Зямлі. Што дастаткова моцнае, каб абараніць унутраную частку рэактара тэрмаядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага рэактара.

Даследчыкі ORNL выкарыстоўвалі натуральны вальфрам (жоўты) і ўзбагачаны вальфрам (аранжавы), каб прасачыць эрозію, транспарціроўку і паўторнае адкладанне вальфраму. Вальфрам з'яўляецца вядучым варыянтам браніравання ўнутранай часткі тэрмаядзернай прылады.

Зік Унтэрберг і яго каманда з Нацыянальнай лабараторыі Ок-Рыджа Дэпартамента энергетыкі зараз працуюць з вядучым кандыдатам: вальфрамам, які мае самую высокую тэмпературу плаўлення і самы нізкі ціск пароў з усіх металаў у перыядычнай сістэме, а таксама вельмі высокую трываласць на разрыў— ўласцівасці, якія робяць яго прыдатным для злоўжывання на працягу доўгага часу. Яны сканцэнтраваны на тым, каб зразумець, як вальфрам будзе працаваць у тэрмаядзерным рэактары, прыладзе, якое награвае лёгкія атамы да тэмператур вышэйшых за ядро ​​Сонца, каб яны зліваліся і вылучалі энергію. Газападобны вадарод у рэактары тэрмаядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага ядзернага рэчыва ператвараецца ў вадародную плазму — стан матэрыі, які складаецца з часткова іянізаванага газу, — які затым утрымліваецца ў невялікай вобласці моцнымі магнітнымі палямі або лазерамі.

«Вы не жадаеце ставіць у свой рэактар ​​нешта, што доўжыцца ўсяго пару дзён», - сказаў Унтэрберг, старэйшы навуковы супрацоўнік аддзела тэрмаядзернай энергіі ORNL. «Вы хочаце мець дастаткова жыцця. Мы змяшчаем вальфрам у раёнах, дзе, як мы чакаем, будзе вельмі моцная плазменная бамбардзіроўка».

У 2016 годзе Унтэрберг і каманда пачалі праводзіць эксперыменты ў такамаку, тэрмаядзерным рэактары, які выкарыстоўвае магнітныя палі для ўтрымання кальца плазмы, у DIII-D National Fusion Facility, установе для карыстальнікаў Упраўлення навук Міністэрства энергетыкі ў Сан-Дыега. Яны хацелі ведаць, ці можна выкарыстоўваць вальфрам для браніравання вакуумнай камеры такамака, абараняючы яе ад хуткага разбурэння, выкліканага ўздзеяннем плазмы, без моцнага забруджвання самой плазмы. Гэта забруджванне, калі яго недастаткова кантраляваць, можа ў канчатковым выніку патушыць тэрмаядзерную рэакцыю.

«Мы спрабавалі вызначыць, якія вобласці ў камеры будуць асабліва дрэннымі: дзе вальфрам, хутчэй за ўсё, стварае прымешкі, якія могуць забрудзіць плазму», — сказаў Унтэрберг.

Каб выявіць гэта, даследчыкі выкарысталі ўзбагачаны ізатоп вальфраму W-182 разам з нязмененым ізатопам, каб прасачыць эрозію, перанос і пераадклад вальфраму знутры адводніка. Гледзячы на ​​​​рух вальфраму ў дывертары - вобласці ўнутры вакуумнай камеры, прызначанай для адводу плазмы і прымешак - даў ім больш дакладнае ўяўленне аб тым, як ён размываецца з паверхняў ўнутры такамака і ўзаемадзейнічае з плазмай. Узбагачаны ізатоп вальфраму мае тыя ж фізічныя і хімічныя ўласцівасці, што і звычайны вальфрам. Эксперыменты ў DIII-D выкарыстоўвалі невялікія металічныя ўстаўкі, пакрытыя ўзбагачаным ізатопам, размешчаныя побач, але не ў зоне найбольшага цеплавога патоку, вобласці ў пасудзіне, якую звычайна называюць вобласцю далёкай мэты адводніка. Асобна, у вобласці адводу з самымі высокімі патокамі, у кропцы ўдару, даследчыкі выкарыстоўвалі ўстаўкі з немадыфікаваным ізатопам. Астатняя частка камеры DIII-D браняваная графітам.

Гэтая ўстаноўка дазволіла даследчыкам збіраць узоры на спецыяльных зондах, часова ўстаўленых у камеру для вымярэння патоку прымешак у браню судна і з яе, што магло даць ім больш дакладнае ўяўленне аб тым, дзе вальфрам, які выцек з дывертара ў камеру, быў узнік.

«Выкарыстанне ўзбагачанага ізатопа дало нам унікальны адбітак пальца», — сказаў Унтэрберг.

Гэта быў першы падобны эксперымент, праведзены ў тэрмаядзернай прыладзе. Адна з мэт складалася ў тым, каб вызначыць найлепшыя матэрыялы і месцазнаходжанне гэтых матэрыялаў для браніравання камеры, у той час як прымешкі, выкліканыя ўзаемадзеяннем плазмы і матэрыялу, у асноўным утрымліваюцца ў адводніку і не забруджваюць плазму абмежаванага магнітам стрыжня, ​​якая выкарыстоўваецца для вытворчасці сінтэзу.

Адной з ускладненняў, звязаных з распрацоўкай і функцыянаваннем дывертараў, з'яўляецца забруджванне плазмы прымешкамі, выкліканае краевымі лакалізаванымі модамі або ELM. Некаторыя з гэтых хуткіх падзей з высокай энергіяй, падобных на сонечныя ўспышкі, могуць пашкодзіць або разбурыць такія кампаненты судна, як адводныя пласціны. Частата ELMs, колькасць раз у секунду, калі гэтыя падзеі адбываюцца, з'яўляецца паказчыкам колькасці энергіі, якая выдзяляецца з плазмы на сценку. Высокачашчынныя ELM могуць вылучаць невялікую колькасць плазмы за вывяржэнне, але калі ELM радзей, плазма і энергія, якія выдзяляюцца за вывяржэнне, вялікія, з большай верагоднасцю пашкоджання. Апошнія даследаванні разглядалі спосабы кантролю і павелічэння частаты ELM, напрыклад, з дапамогай упырску гранул або дадатковых магнітных палёў пры вельмі малых велічынях.

Каманда Унтэрберга выявіла, як яны і чакалі, што размяшчэнне вальфраму далёка ад кропкі ўдару высокага патоку значна павялічвае верагоднасць забруджвання пры ўздзеянні нізкачашчынных ELM, якія маюць больш высокі энергаёмістасць і кантакт з паверхняй за падзею. Акрамя таго, каманда выявіла, што гэтая далёкая мэтавая вобласць адводніка была больш схільная да забруджвання SOL, нават калі яна звычайна мае меншыя патокі, чым кропка ўдару. Гэтыя, здавалася б, неразумныя вынікі пацвярджаюцца бягучымі намаганнямі па мадэляванні дывертара ў сувязі з гэтым праектам і будучымі эксперыментамі на DIII-D.

У гэтым праекце ўдзельнічала група экспертаў з усёй Паўночнай Амерыкі, у тым ліку супрацоўнікі з Прынстанскай лабараторыі фізікі плазмы, Лівермарскай нацыянальнай лабараторыі Лоўрэнса, Нацыянальнай лабараторыі Сандыя, ORNL, General Atomics, Універсітэта Оберн, Каліфарнійскага ўніверсітэта ў Сан-Дыега, Універсітэта Таронта, Універсітэт Тэнэсі-Ноксвіл і Універсітэт Вісконсіна-Мэдысан, паколькі яны забяспечылі значны інструмент для даследаванні ўзаемадзеяння плазмы і матэрыялаў. Упраўленне навукі Міністэрства энергетыкі (Fusion Energy Sciences) аказала падтрымку ў даследаванні.

Каманда апублікавала даследаванне ў Інтэрнэце ў пачатку гэтага года ў часопісеЯдзерны сінтэз.

Даследаванне можа неадкладна прынесці карысць Аб'яднанаму еўрапейскаму тору, або JET, і ITER, якія зараз будуюцца ў Кадарашы, Францыя, абодва з якіх выкарыстоўваюць вальфрамавую браню для дывертара.

«Але мы разглядаем рэчы, якія не ўваходзяць у ITER і JET — мы разглядаем тэрмаядзерныя рэактары будучыні», — сказаў Унтэрберг. «Куды лепш за ўсё класці вальфрам, а куды нельга? Наша канчатковая мэта - разумна замацаваць нашы тэрмаядзерныя рэактары, калі яны з'явяцца».

Унтэрберг сказаў, што унікальная група стабільных ізатопаў ORNL, якая распрацавала і выпрабавала ўзбагачанае ізатопнае пакрыццё перад тым, як перавесці яго ў форму, карысную для эксперыменту, зрабіла даследаванне магчымым. Гэты ізатоп не быў бы даступны ў любым месцы, акрамя Нацыянальнага цэнтра распрацоўкі ізатопаў у ORNL, які захоўвае запасы амаль усіх элементаў, падзеленых ізатопамі, сказаў ён.

"ORNL валодае унікальным вопытам і асаблівымі жаданнямі для такога тыпу даследаванняў", - сказаў Унтэрберг. «У нас ёсць доўгая спадчына распрацоўкі ізатопаў і выкарыстання іх ва ўсіх відах даследаванняў у розных сферах прымянення па ўсім свеце».

Акрамя таго, ORNL кіруе амерыканскім ITER.

Далей каманда разгледзіць, як змяшчэнне вальфраму ў дывертары рознай формы можа паўплываць на забруджванне ядра. Яны выказалі здагадку, што розныя геаметрыі адводніка могуць мінімізаваць уплыў узаемадзеяння плазмы і матэрыялу на плазму ядра. Веданне лепшай формы для адводніка - неабходнага кампанента для магнітна-абмежаванай плазменнай прылады - паставіла б навукоўцаў на крок бліжэй да жыццяздольнага плазменнага рэактара.

«Калі мы, як грамадства, скажам, што хочам ядзернай энергетыкі і хочам перайсці да наступнага этапу, — сказаў Унтэрберг, — тэрмаядзерны ядзерны сінтэз стане святым Граалем».