L'interior dels futurs reactors d'energia nuclear de fusió estarà entre els entorns més durs mai produïts a la Terra. Què és prou fort per protegir l'interior d'un reactor de fusió dels fluxos de calor produïts per plasma similars als transbordadors espacials que tornen a entrar a l'atmosfera terrestre?

Els investigadors de l'ORNL van utilitzar tungstè natural (groc) i tungstè enriquit (taronja) per rastrejar l'erosió, el transport i la redeposició del tungstè. El tungstè és l'opció principal per blindar l'interior d'un dispositiu de fusió.

Zeke Unterberg i el seu equip del Laboratori Nacional d'Oak Ridge del Departament d'Energia estan treballant actualment amb el principal candidat: el tungstè, que té el punt de fusió més alt i la pressió de vapor més baixa de tots els metalls de la taula periòdica, així com una resistència a la tracció molt alta. propietats que el fan adequat per suportar l'abús durant llargs períodes de temps. Es centren a entendre com funcionaria el tungstè dins d'un reactor de fusió, un dispositiu que escalfa els àtoms lleugers a temperatures més altes que el nucli del sol perquè es fusionin i alliberin energia. El gas d'hidrogen en un reactor de fusió es converteix en plasma d'hidrogen, un estat de la matèria que consisteix en gas parcialment ionitzat, que després queda confinat en una petita regió per camps magnètics o làsers forts.

"No voleu posar alguna cosa al vostre reactor que només duri un parell de dies", va dir Unterberg, científic d'investigació sènior de la divisió d'energia de fusió de l'ORNL. "Vols tenir una vida suficient. Posem tungstè a zones on preveiem que hi haurà un bombardeig de plasma molt alt".

El 2016, Unterberg i l'equip van començar a dur a terme experiments al tokamak, un reactor de fusió que utilitza camps magnètics per contenir un anell de plasma, a la DIII-D National Fusion Facility, una instal·lació d'usuaris de l'Oficina Científica del DOE a San Diego. Volien saber si el tungstè es podria utilitzar per blindar la cambra de buit del tokamak, protegint-lo de la destrucció ràpida causada pels efectes del plasma, sense contaminar fortament el propi plasma. Aquesta contaminació, si no es gestiona prou, podria acabar per extingir la reacció de fusió.

"Estàvem intentant determinar quines àrees de la cambra serien especialment dolentes: on el tungstè tenia més probabilitats de generar impureses que poden contaminar el plasma", va dir Unterberg.

Per trobar-ho, els investigadors van utilitzar un isòtop enriquit de tungstè, W-182, juntament amb l'isòtop no modificat, per rastrejar l'erosió, el transport i la redeposició del tungstè des del desviador. Observar el moviment del tungstè dins del desviador, una àrea dins de la cambra de buit dissenyada per desviar el plasma i les impureses, els va donar una imatge més clara de com s'erosiona de les superfícies dins del tokamak i interacciona amb el plasma. L'isòtop de tungstè enriquit té les mateixes propietats físiques i químiques que el tungstè normal. Els experiments a DIII-D van utilitzar petites insercions metàl·liques recobertes amb l'isòtop enriquit col·locats a prop, però no a, de la zona de flux de calor més alt, una àrea del vaixell que normalment s'anomena regió llunyana del desviador. Per separat, en una regió desviadora amb els fluxos més alts, el punt d'atac, els investigadors van utilitzar insercions amb l'isòtop no modificat. La resta de la cambra DIII-D està blindada amb grafit.

Aquesta configuració va permetre als investigadors recollir mostres en sondes especials inserides temporalment a la cambra per mesurar el flux d'impureses cap a i des de l'armadura del vaixell, cosa que els podria donar una idea més precisa d'on havia sortit el tungstè que s'havia filtrat del desviador a la cambra. originat.

"L'ús de l'isòtop enriquit ens va donar una empremta digital única", va dir Unterberg.

Va ser el primer experiment d'aquest tipus realitzat en un dispositiu de fusió. Un objectiu era determinar els millors materials i la ubicació per a aquests materials per a l'armadura de la cambra, mantenint les impureses causades per les interaccions plasma-material en gran part contingudes al desviador i no contaminant el nucli de plasma confinat amb imant utilitzat per produir la fusió.

Una complicació amb el disseny i el funcionament dels desviadors és la contaminació d'impureses al plasma causada per modes localitzats a la vora o ELM. Alguns d'aquests esdeveniments ràpids i d'alta energia, semblants a les erupcions solars, poden danyar o destruir components del vaixell com les plaques desviadores. La freqüència dels ELM, les vegades per segon que es produeixen aquests esdeveniments, és un indicador de la quantitat d'energia alliberada del plasma a la paret. Els ELM d'alta freqüència poden alliberar quantitats baixes de plasma per erupció, però si els ELM són menys freqüents, el plasma i l'energia alliberats per erupció són alts, amb una major probabilitat de danys. Investigacions recents han buscat maneres de controlar i augmentar la freqüència dels ELM, com ara amb la injecció de pellets o camps magnètics addicionals a magnituds molt petites.

L'equip d'Unterberg va trobar, com esperaven, que tenir el tungstè lluny del punt d'impacte d'alt flux augmentava molt la probabilitat de contaminació quan s'exposava a ELM de baixa freqüència que tenen un contingut d'energia i un contacte superficial més elevats per esdeveniment. A més, l'equip va trobar que aquesta regió objectiu llunyà del desviador era més propensa a contaminar el SOL, tot i que generalment té fluxos més baixos que el punt d'impacte. Aquests resultats aparentment contraris a la intuïció s'estan confirmant pels esforços en curs de modelització de desviadors en relació amb aquest projecte i experiments futurs sobre DIII-D.

Aquest projecte va comptar amb un equip d'experts de tota Amèrica del Nord, inclosos col·laboradors del Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, la Universitat de Califòrnia a San Diego, la Universitat de Toronto, la Universitat de Tennessee-Knoxville i la Universitat de Wisconsin-Madison, ja que va proporcionar una eina important per a la investigació de la interacció plasma-material. L'Oficina de Ciència del DOE (Fusion Energy Sciences) va donar suport a l'estudi.

L'equip va publicar la investigació en línia a principis d'any a la revistaFusió nuclear.

La investigació podria beneficiar immediatament el Joint European Torus, o JET, i ITER, ara en construcció a Cadarache, França, que utilitzen armadures de tungstè per al desviador.

"Però estem mirant coses més enllà d'ITER i JET, estem mirant els reactors de fusió del futur", va dir Unterberg. "On és millor posar tungstè i on no s'ha de posar? El nostre objectiu final és blindar els nostres reactors de fusió, quan arribin, d'una manera intel·ligent".

Unterberg va dir que l'únic grup d'isòtops estables d'ORNL, que va desenvolupar i va provar el recobriment d'isòtops enriquit abans de posar-lo en una forma útil per a l'experiment, va fer possible la investigació. Aquest isòtop no hauria estat disponible enlloc excepte al Centre Nacional de Desenvolupament d'Isòtops de l'ORNL, que manté un estoc de gairebé tots els elements separats isotòpicament, va dir.

"ORNL té una experiència única i desitjos particulars per a aquest tipus d'investigació", va dir Unterberg. "Tenim un llarg llegat de desenvolupament d'isòtops i ús d'aquests en tot tipus d'investigació en diferents aplicacions arreu del món".

A més, ORNL gestiona US ITER.

A continuació, l'equip examinarà com posar tungstè en desviadors de diferents formes podria afectar la contaminació del nucli. Les diferents geometries de desviador podrien minimitzar els efectes de les interaccions plasma-material sobre el plasma central, han teoritzat. Conèixer la millor forma per a un desviador, un component necessari per a un dispositiu de plasma confinat magnètic, acostaria els científics a un reactor de plasma viable.

"Si nosaltres, com a societat, diem que volem que passi l'energia nuclear i volem passar a la següent etapa", va dir Unterberg, "la fusió seria el sant grial".