Вътрешността на бъдещите енергийни реактори за ядрен синтез ще бъде сред най-суровите среди, създавани някога на Земята. Какво е достатъчно силно, за да защити вътрешността на термоядрения реактор от топлинни потоци, произведени от плазма, подобно на космическите совалки, навлизащи отново в земната атмосфера?

Изследователите на ORNL са използвали естествен волфрам (жълт) и обогатен волфрам (оранжев), за да проследят ерозията, транспорта и повторното отлагане на волфрам. Волфрамът е водещият вариант за брониране на вътрешността на устройство за синтез.

Зейк Унтерберг и неговият екип от Националната лаборатория в Оук Ридж към Министерството на енергетиката в момента работят с водещия кандидат: волфрам, който има най-високата точка на топене и най-ниското налягане на парите от всички метали в периодичната таблица, както и много висока якост на опън - свойства, които го правят подходящ за злоупотреба за дълги периоди от време. Те са съсредоточени върху разбирането как волфрамът би работил в термоядрения реактор, устройство, което загрява леки атоми до температури, по-горещи от слънчевото ядро, така че те да се слеят и да освободят енергия. Водородният газ в термоядрения реактор се превръща във водородна плазма - състояние на материята, което се състои от частично йонизиран газ - който след това се ограничава в малък регион от силни магнитни полета или лазери.

„Не искате да поставите нещо във вашия реактор, което издържа само няколко дни“, каза Унтерберг, старши научен сътрудник в отдела за термоядрена енергия на ORNL. „Искате да имате достатъчен живот. Поставяме волфрам в зони, където очакваме да има много силна плазмена бомбардировка.

През 2016 г. Унтерберг и екипът започнаха да провеждат експерименти в токамака, термоядреен реактор, който използва магнитни полета, за да съдържа пръстен от плазма, в DIII-D National Fusion Facility, потребителско съоръжение на DOE Office of Science в Сан Диего. Те искаха да разберат дали волфрамът може да се използва за брониране на вакуумната камера на токамака - защитавайки я от бързо разрушаване, причинено от ефектите на плазмата - без силно замърсяване на самата плазма. Това замърсяване, ако не се управлява достатъчно, може в крайна сметка да потуши реакцията на синтез.

„Опитвахме се да определим кои зони в камерата биха били особено лоши: където волфрамът е най-вероятно да генерира примеси, които могат да замърсят плазмата“, каза Унтерберг.

За да открият това, изследователите са използвали обогатен изотоп на волфрам, W-182, заедно с немодифицирания изотоп, за да проследят ерозията, транспорта и повторното отлагане на волфрам от вътрешността на дивертора. Разглеждането на движението на волфрам в дивертора - област във вакуумната камера, предназначена да отклонява плазмата и примесите - им даде по-ясна картина за това как той ерозира от повърхностите в токамака и взаимодейства с плазмата. Обогатеният волфрамов изотоп има същите физични и химични свойства като обикновения волфрам. Експериментите в DIII-D използваха малки метални вложки, покрити с обогатен изотоп, поставени близо до, но не и в зоната на най-високия топлинен поток, област в съда, обикновено наричана отклоняваща далечна целева област. Отделно, в отклоняваща област с най-високи потоци, ударната точка, изследователите са използвали вложки с немодифицирания изотоп. Останалата част от камерата DIII-D е бронирана с графит.

Тази настройка позволи на изследователите да събират проби от специални сонди, временно поставени в камерата за измерване на потока на примеси към и от бронята на съда, което би могло да им даде по-точна представа къде е изтекъл волфрамът, който е изтекъл от дивертора в камерата възникнал.

„Използването на обогатения изотоп ни даде уникален пръстов отпечатък“, каза Унтерберг.

Това беше първият подобен експеримент, проведен в термоядрено устройство. Една от целите беше да се определят най-добрите материали и местоположението на тези материали за брониране на камерата, като същевременно се запазят примесите, причинени от взаимодействията между плазма и материал, до голяма степен съдържащи се в отклонителя и не се замърсява плазмата, ограничена от магнитно ядро, използвана за производство на синтез.

Едно усложнение при проектирането и работата на диверторите е замърсяването с примеси в плазмата, причинено от локализирани по ръба режими или ELM. Някои от тези бързи, високоенергийни събития, подобни на слънчеви изригвания, могат да повредят или унищожат компоненти на съда като отклоняващи плочи. Честотата на ELMs, пъти в секунда, когато се случват тези събития, е индикатор за количеството енергия, освободено от плазмата към стената. Високочестотните ELM могат да отделят малки количества плазма на изригване, но ако ELM са по-рядко, плазмата и енергията, освободени на изригване, са високи, с по-голяма вероятност за увреждане. Скорошни изследвания разглеждат начини за контролиране и увеличаване на честотата на ELMs, като например с инжектиране на пелети или допълнителни магнитни полета с много малки магнитуди.

Екипът на Унтерберг установи, както очакваха, че наличието на волфрам далеч от точката на удар с висок поток значително увеличава вероятността от замърсяване, когато е изложено на нискочестотни ELM, които имат по-високо енергийно съдържание и повърхностен контакт за събитие. Освен това екипът откри, че този отклоняващ далечен целеви регион е по-склонен към замърсяване на SOL, въпреки че обикновено има по-ниски потоци от точката на удар. Тези привидно контраинтуитивни резултати се потвърждават от продължаващите усилия за моделиране на дивертора във връзка с този проект и бъдещи експерименти върху DIII-D.

Този проект включва екип от експерти от цяла Северна Америка, включително сътрудници от Принстънската лаборатория по физика на плазмата, Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор, Националните лаборатории Сандия, ORNL, General Atomics, Auburn University, Калифорнийския университет в Сан Диего, Университета на Торонто, Университета на Тенеси - Ноксвил и Университета на Уисконсин - Медисън, тъй като предостави важен инструмент за изследване на взаимодействието плазма-материал. Научната служба на DOE (Fusion Energy Sciences) предостави подкрепа за проучването.

Екипът публикува изследване онлайн по-рано тази година в списаниетоЯдрен синтез.

Изследването може незабавно да бъде от полза за Joint European Torus, или JET, и ITER, които сега се строят в Cadarache, Франция, като и двете използват волфрамова броня за отклонителя.

„Но ние разглеждаме неща отвъд ITER и JET – гледаме термоядрените реактори на бъдещето“, каза Унтерберг. „Къде е най-добре да поставите волфрам и къде не трябва да поставяте волфрам? Крайната ни цел е да защитим термоядрените си реактори, когато дойдат, по интелигентен начин.“

Унтерберг каза, че уникалната група за стабилни изотопи на ORNL, която разработи и тества обогатеното изотопно покритие, преди да го постави във форма, полезна за експеримента, направи изследването възможно. Този изотоп не би бил достъпен никъде, освен от Националния център за развитие на изотопи в ORNL, който поддържа запаси от почти всеки изотопно разделен елемент, каза той.

„ORNL има уникален опит и специални желания за този тип изследвания“, каза Унтерберг. „Имаме дълго наследство от разработването на изотопи и използването им във всички видове изследвания в различни приложения по света.“

Освен това ORNL управлява US ITER.

След това екипът ще разгледа как поставянето на волфрам в дивертори с различна форма може да повлияе на замърсяването на сърцевината. Различните геометрии на дивертора биха могли да намалят до минимум ефектите от взаимодействията плазма-материал върху основната плазма, теоретизираха те. Познаването на най-добрата форма за дивертор - необходим компонент за магнитно ограничено плазмено устройство - би поставило учените една стъпка по-близо до жизнеспособен плазмен реактор.

„Ако ние, като общество, кажем, че искаме ядрената енергия да се случи и искаме да преминем към следващия етап“, каза Унтерберг, „ядреният синтез ще бъде светият граал“.