Unutrašnjost budućih energetskih reaktora nuklearne fuzije bit će među najsurovijim okruženjima ikada proizvedenim na Zemlji. Šta je dovoljno snažno da zaštiti unutrašnjost fuzijskog reaktora od toplotnih tokova proizvedenih plazmom sličnih svemirskim šatlovima koji ponovo ulaze u Zemljinu atmosferu?

Istraživači ORNL-a koristili su prirodni volfram (žuto) i obogaćeni volfram (narandžasto) da bi pratili eroziju, transport i ponovno taloženje volframa. Volfram je vodeća opcija za oklop unutrašnjosti uređaja za fuziju.

Zeke Unterberg i njegov tim u Nacionalnoj laboratoriji Oak Ridge Ministarstva energetike trenutno rade s vodećim kandidatom: volframom, koji ima najvišu tačku topljenja i najniži pritisak pare od svih metala u periodnom sistemu, kao i vrlo visoku vlačnu čvrstoću— svojstva koja ga čine pogodnim za zlostavljanje tokom dužeg vremenskog perioda. Oni su fokusirani na razumijevanje kako bi volfram funkcionirao unutar fuzijskog reaktora, uređaja koji zagrijava svjetlosne atome na temperature toplije od jezgre Sunca, tako da se spajaju i oslobađaju energiju. Gas vodonik u fuzijskom reaktoru pretvara se u vodikovu plazmu – stanje materije koje se sastoji od djelimično joniziranog plina – koje je zatim ograničeno u malom području jakim magnetnim poljima ili laserima.

“Ne želite da stavite nešto u svoj reaktor što traje samo nekoliko dana,” rekao je Unterberg, viši naučnik u ORNL-ovom odjelu za fuzijsku energiju. „Želite da imate dovoljan životni vek. Stavljamo volfram u područja za koja očekujemo da će biti veoma visokog plazma bombardovanja.”

Unterberg i tim su 2016. godine počeli provoditi eksperimente u tokamaku, fuzijskom reaktoru koji koristi magnetna polja za sadržavanje prstena plazme, u DIII-D National Fusion Facility, korisničkom objektu DOE Office of Science u San Diegu. Htjeli su znati može li se volfram koristiti za oklop vakuumske komore tokamaka – štiteći je od brzog uništenja uzrokovanog efektima plazme – bez jakog zagađenja same plazme. Ova kontaminacija, ako se ne upravlja dovoljno, mogla bi u konačnici ugasiti reakciju fuzije.

„Pokušavali smo da utvrdimo koja područja u komori bi bila posebno loša: gde bi volfram najverovatnije stvarao nečistoće koje mogu kontaminirati plazmu“, rekao je Unterberg.

Da bi to otkrili, istraživači su koristili obogaćeni izotop volframa, W-182, zajedno s nemodificiranim izotopom, kako bi pratili eroziju, transport i ponovno taloženje volframa unutar divertora. Posmatrajući kretanje volframa unutar divertora – područja unutar vakuumske komore dizajnirane da skrene plazmu i nečistoće – dalo im je jasniju sliku o tome kako on erodira s površina unutar tokamaka i stupa u interakciju sa plazmom. Obogaćeni izotop volframa ima ista fizička i hemijska svojstva kao i obični volfram. Eksperimenti na DIII-D koristili su male metalne umetke obložene obogaćenim izotopom postavljene blizu, ali ne u zoni najvećeg toplotnog fluksa, oblasti u posudi koja se tipično naziva divertorsko područje dalekog cilja. Odvojeno, u divertorskoj regiji sa najvećim fluksovima, tačkom udara, istraživači su koristili umetke sa nemodifikovanim izotopom. Ostatak DIII-D komore je oklopljen grafitom.

Ova postavka omogućila je istraživačima da sakupe uzorke na posebnim sondama koje su privremeno umetnute u komoru za mjerenje protoka nečistoća u oklop posude i iz njega, što bi im moglo dati precizniju predstavu o tome gdje je volfram koji je iscurio iz divertora u komoru nastao.

„Upotreba obogaćenog izotopa dala nam je jedinstveni otisak prsta“, rekao je Unterberg.

Bio je to prvi takav eksperiment izveden u uređaju za fuziju. Jedan cilj je bio da se odrede najbolji materijali i lokacija za ove materijale za oklop komore, dok se nečistoće uzrokovane interakcijama plazme i materijala u velikoj meri zadržavaju u divertoru i ne kontaminiraju plazmu jezgra ograničenog magnetom koja se koristi za proizvodnju fuzije.

Jedna od komplikacija s dizajnom i radom divertora je kontaminacija nečistoćama u plazmi uzrokovana modovima lokaliziranim na rubovima ili ELM-ovima. Neki od ovih brzih, visokoenergetskih događaja, slični solarnim baklji, mogu oštetiti ili uništiti komponente plovila kao što su divertorske ploče. Učestalost ELM-a, vremena u sekundi kada se ti događaji dešavaju, pokazatelj je količine energije koja se oslobađa od plazme do zida. Visokofrekventni ELM-ovi mogu osloboditi male količine plazme po erupciji, ali ako su ELM-ovi rjeđi, plazma i energija oslobođena po erupciji su visoke, s većom vjerovatnoćom oštećenja. Nedavna istraživanja su razmatrala načine za kontrolu i povećanje frekvencije ELM-a, kao što je ubrizgavanje peleta ili dodatna magnetna polja na vrlo malim veličinama.

Unterbergov tim je otkrio, kao što je i očekivao, da je volfram daleko od udarne tačke visokog fluksa uvelike povećao vjerovatnoću kontaminacije kada je izložen niskofrekventnim ELM-ovima koji imaju veći sadržaj energije i površinski kontakt po događaju. Osim toga, tim je otkrio da je ova divertorska dalekometna regija bila sklonija kontaminaciji SOL-a iako generalno ima niže fluksove od tačke udara. Ovi naizgled kontraintuitivni rezultati potvrđuju se tekućim naporima divertorskog modeliranja u vezi s ovim projektom i budućim eksperimentima na DIII-D.

Ovaj projekat je uključivao tim stručnjaka iz cijele Sjeverne Amerike, uključujući saradnike iz Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratories, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, Univerziteta Kalifornije u San Diegu, Univerziteta u Torontu, Univerzitet Tennessee-Knoxville i Univerzitet Wisconsin-Madison, jer je pružio značajno sredstvo za istraživanje interakcije plazme i materijala. Kancelarija za nauku DOE (Fusion Energy Sciences) pružila je podršku za studiju.

Tim je objavio istraživanje na internetu ranije ove godine u časopisuNuclear Fusion.

Istraživanje bi moglo odmah koristiti Zajedničkom evropskom Torusu, ili JET-u, i ITER-u, koji se sada gradi u Cadaracheu u Francuskoj, a oba koriste volframov oklop za divertor.

„Ali mi gledamo na stvari izvan ITER-a i JET-a—mi gledamo na fuzijske reaktore budućnosti“, rekao je Unterberg. “Gdje je najbolje staviti volfram, a gdje ne treba staviti volfram? Naš krajnji cilj je da oklopimo naše fuzijske reaktore, kada dođu, na pametan način.”

Unterberg je rekao da je ORNL-ova jedinstvena grupa za stabilne izotope, koja je razvila i testirala obogaćeni izotopski premaz prije nego ga stavila u oblik koji je koristan za eksperiment, omogućila istraživanje. Taj izotop ne bi bio dostupan nigdje osim u Nacionalnom centru za razvoj izotopa na ORNL-u, koji održava zalihe gotovo svakog elementa koji je izotopski odvojen, rekao je.

“ORNL ima jedinstvenu stručnost i posebne želje za ovom vrstom istraživanja”, rekao je Unterberg. “Imamo dugo naslijeđe razvoja izotopa i njihovo korištenje u svim vrstama istraživanja u različitim primjenama širom svijeta.”

Osim toga, ORNL upravlja US ITER-om.

Zatim će tim razmotriti kako stavljanje volframa u divertore različitog oblika može uticati na kontaminaciju jezgre. Različite geometrije divertora mogle bi minimizirati efekte interakcije plazme i materijala na plazmu jezgra, teoretiziraju. Poznavanje najboljeg oblika za divertor – neophodnu komponentu za magnetno ograničen plazma uređaj – stavilo bi naučnike korak bliže održivom plazma reaktoru.

„Ako mi, kao društvo, kažemo da želimo da se nuklearna energija dogodi, i želimo da pređemo na sljedeću fazu“, rekao je Unterberg, „fuzija bi bila sveti gral“.