Ang sulod sa umaabot nga nuclear fusion energy reactors mahimong usa sa pinakagrabe nga palibot nga nahimo sukad sa Yuta. Unsa ang igong kusog aron mapanalipdan ang sulod sa usa ka fusion reactor gikan sa plasma-produced heat fluxes susama sa mga space shuttle nga mosulod pag-usab sa atmospera sa Yuta?

Ang mga tigdukiduki sa ORNL migamit ug natural nga tungsten (yellow) ug enriched tungsten (orange) aron masubay ang erosion, transport ug redeposition sa tungsten. Ang Tungsten mao ang nanguna nga kapilian sa pag-armas sa sulod sa usa ka fusion device.

Si Zeke Unterberg ug ang iyang team sa Oak Ridge National Laboratory sa Department of Energy karon nagtrabaho kauban ang nanguna nga kandidato: tungsten, nga adunay labing taas nga punto sa pagkatunaw ug labing ubos nga presyur sa singaw sa tanan nga mga metal sa periodic table, ingon man taas kaayo nga kusog sa tensile— mga kabtangan nga naghimo niini nga haum kaayo sa pagkuha sa pag-abuso sa taas nga panahon. Gipunting nila ang pagsabut kung giunsa ang pagtrabaho sa tungsten sa sulod sa usa ka fusion reactor, usa ka aparato nga nagpainit sa gaan nga mga atomo sa temperatura nga mas init kaysa sa kinauyokan sa adlaw aron sila mag-fuse ug magpagawas sa enerhiya. Ang hydrogen nga gas sa usa ka fusion reactor gihimong hydrogen plasma—usa ka kahimtang sa materya nga naglangkob sa partially ionized nga gas—nga unya natanggong sa gamay nga rehiyon pinaagi sa kusog nga magnetic field o mga laser.

"Dili nimo gusto nga magbutang usa ka butang sa imong reactor nga molungtad ra sa pipila ka adlaw," ingon si Unterberg, usa ka senior nga siyentipiko sa panukiduki sa Fusion Energy Division sa ORNL. "Gusto nimo nga adunay igong kinabuhi. Gibutang namon ang tungsten sa mga lugar nga among gipaabut nga adunay taas nga pagpamomba sa plasma. ”

Sa 2016, si Unterberg ug ang team nagsugod sa pagpahigayon og mga eksperimento sa tokamak, usa ka fusion reactor nga naggamit sa magnetic-fields nga adunay sulod nga singsing sa plasma, sa DIII-D National Fusion Facility, usa ka DOE Office of Science user facility sa San Diego. Gusto nilang mahibaloan kon ang tungsten ba magamit sa pag-armas sa vacuum chamber sa tokamak—nga manalipod niini gikan sa paspas nga pagkaguba tungod sa mga epekto sa plasma—nga dili makadaot sa plasma mismo. Kini nga kontaminasyon, kung dili igo nga pagdumala, sa katapusan makapalong sa reaksyon sa pagsagol.

"Gisulayan namon nga mahibal-an kung unsang mga lugar sa lawak ang labi ka daotan: kung diin ang tungsten lagmit nga makamugna og mga hugaw nga makahugaw sa plasma," ingon ni Unterberg.

Aron mahibal-an kana, gigamit sa mga tigdukiduki ang usa ka enriched isotope sa tungsten, W-182, kauban ang wala gibag-o nga isotope, aron masubay ang erosion, transportasyon ug pag-redeposition sa tungsten gikan sa sulod sa divertor. Ang pagtan-aw sa paglihok sa tungsten sulod sa divertor-usa ka lugar sulod sa vacuum chamber nga gidisenyo sa pag-divert sa plasma ug mga hugaw-naghatag kanila og mas tin-aw nga hulagway kon sa unsang paagi kini mawagtang gikan sa mga nawong sulod sa tokamak ug makig-uban sa plasma. Ang enriched tungsten isotope adunay parehas nga pisikal ug kemikal nga mga kabtangan sama sa regular nga tungsten. Ang mga eksperimento sa DIII-D migamit ug gagmay nga mga pagsal-ot sa metal nga gitabonan sa enriched isotope nga gibutang duol sa, apan dili sa, ang pinakataas nga heat flux zone, usa ka lugar sa sudlanan nga sagad gitawag nga divertor far-target nga rehiyon. Gilain, sa usa ka divertor nga rehiyon nga adunay labing kataas nga pag-uswag, ang strike-point, gigamit sa mga tigdukiduki ang mga pagsal-ot nga adunay wala gibag-o nga isotope. Ang nahibilin sa DIII-D chamber kay armored sa graphite.

Kini nga setup nagtugot sa mga tigdukiduki sa pagkolekta sa mga sample sa mga espesyal nga probes temporaryo nga gisal-ut sa lawak alang sa pagsukod sa kahugawan nga agos ngadto ug gikan sa sudlanan armor, nga makahatag kanila sa usa ka mas tukma nga ideya kon diin ang tungsten nga leaked gikan sa divertor ngadto sa lawak. naggikan.

"Ang paggamit sa enriched isotope naghatag kanamo usa ka talagsaon nga fingerprint," miingon si Unterberg.

Kini ang una nga eksperimento nga gihimo sa usa ka fusion device. Ang usa ka katuyoan mao ang pagtino sa labing kaayo nga mga materyales ug lokasyon alang sa kini nga mga materyales alang sa pag-armas sa chamber, samtang gitipigan ang mga hugaw nga gipahinabo sa mga interaksyon nga materyal sa plasma nga kadaghanan naa sa divertor ug dili mahugawan ang magnet-confined core plasma nga gigamit sa paghimo og fusion.

Ang usa ka komplikasyon sa disenyo ug operasyon sa mga divertor mao ang kontaminasyon sa kahugawan sa plasma tungod sa edge-localized modes, o ELMs. Ang uban niining paspas, taas nga kusog nga mga panghitabo, susama sa solar flare, makadaot o makaguba sa mga sangkap sa barko sama sa mga divertor plate. Ang kasubsob sa mga ELM, ang mga oras matag segundo nga kini nga mga panghitabo mahitabo, usa ka timailhan sa gidaghanon sa enerhiya nga gipagawas gikan sa plasma hangtod sa dingding. Ang mga high-frequency nga ELM makapagawas ug mubu nga plasma kada pagbuto, apan kung ang mga ELM dili kaayo kanunay, ang plasma ug enerhiya nga gipagawas matag pagbuto taas, nga adunay mas dako nga posibilidad sa kadaot. Ang bag-o nga panukiduki nagtan-aw sa mga paagi aron makontrol ug madugangan ang frequency sa mga ELM, sama sa pag-injection sa pellet o dugang nga mga magnetic field sa gamay kaayo nga gidak-on.

Nakaplagan sa team ni Unterberg, sama sa ilang gidahom, nga ang pagbaton sa tungsten nga layo sa high-flux strike-point dako kaayog madugangan ang posibilidad sa kontaminasyon kon ma-expose sa low-frequency ELMs nga adunay mas taas nga energy content ug surface contact kada panghitabo. Dugang pa, nahibal-an sa team nga kini nga divertor nga layo nga target nga rehiyon mas dali nga mahugawan ang SOL bisan kung kini sa kasagaran adunay mas ubos nga flux kaysa sa strike-point. Kining morag kontra-intuitive nga mga resulta gipamatud-an sa nagpadayon nga divertor modeling nga mga paningkamot kalabot niini nga proyekto ug umaabot nga mga eksperimento sa DIII-D.

Kini nga proyekto naglakip sa usa ka grupo sa mga eksperto gikan sa tibuok North America, lakip ang mga kolaborator gikan sa Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, University of California sa San Diego, University of Toronto, ang Unibersidad sa Tennessee—Knoxville, ug ang Unibersidad sa Wisconsin-Madison, tungod kay naghatag kini usa ka hinungdanon nga himan alang sa panukiduki sa interaksyon sa plasma-materyal. Ang Opisina sa Siyensya sa DOE (Fusion Energy Sciences) naghatag suporta alang sa pagtuon.

Ang team nagpatik sa panukiduki online sayo ning tuiga sa journalNukleyar nga Fusion.

Ang panukiduki mahimo dayon nga makabenepisyo sa Joint European Torus, o JET, ug ITER, nga karon gitukod sa Cadarache, France, nga parehong naggamit sa tungsten armor alang sa divertor.

"Apan kami nagtan-aw sa mga butang nga lapas sa ITER ug JET-kami nagtan-aw sa mga fusion reactor sa umaabot," miingon si Unterberg. "Asa ang labing maayo nga ibutang ang tungsten, ug asa nimo dili ibutang ang tungsten? Ang among katapusang katuyoan mao ang pag-armas sa among mga fusion reactor, kung moabut sila, sa usa ka maalamon nga paagi.

Giingon ni Unterberg nga ang talagsaon nga Stable Isotopes Group sa ORNL, nga nagpalambo ug nagsulay sa gipaayo nga isotope coating sa wala pa kini ibutang sa usa ka porma nga mapuslanon alang sa eksperimento, nagpaposible sa panukiduki. Kana nga isotope dili unta magamit bisan asa gawas sa National Isotope Development Center sa ORNL, nga nagmintinar sa usa ka stockpile sa halos tanang elemento nga isotopically separated, siya miingon.

"Ang ORNL adunay talagsaon nga kahanas ug partikular nga mga tinguha alang niini nga matang sa panukiduki," miingon si Unterberg. "Kami adunay taas nga kabilin sa pagpalambo sa mga isotopes ug paggamit sa tanan nga mga matang sa panukiduki sa lainlaing mga aplikasyon sa tibuuk kalibutan."

Dugang pa, ang ORNL nagdumala sa US ITER.

Sunod, tan-awon sa team kung giunsa ang pagbutang sa tungsten sa lahi nga porma nga mga divertor mahimo’g makaapekto sa kontaminasyon sa kinauyokan. Ang lain-laing mga divertor geometries makapamenos sa mga epekto sa plasma-materyal nga mga interaksyon sa core plasma, ilang giteyoriya. Ang pagkahibalo sa kinamaayohang porma para sa divertor—usa ka kinahanglanon nga sangkap para sa magnetic-confined plasma device—magbutang sa mga siyentista ug usa ka lakang nga mas duol sa usa ka buhi nga plasma reactor.

"Kung kita, isip usa ka katilingban, moingon nga gusto nato ang nukleyar nga kusog nga mahitabo, ug gusto namong mobalhin ngadto sa sunod nga yugto," miingon si Unterberg, "ang fusion mao ang balaan nga grail."