L'internu di i futuri reattori di l'energia di fusione nucleare serà trà l'ambienti più duri mai pruduciuti in a Terra. Chì ci hè abbastanza forte per prutege l'internu di un reattore di fusione da i flussi di calore produtti da plasma simili à i navette spaziali chì rientranu in l'atmosfera di a Terra?

I circadori di l'ORNL anu utilizatu tungstenu naturali (giallu) è tungstenu arricchitu (aranciu) per traccia l'erosione, u trasportu è a redeposition di tungstenu. U tungstenu hè l'opzione principale per blindà l'internu di un dispositivu di fusione.

Zeke Unterberg è a so squadra in u Laboratoriu Naziunale di Oak Ridge di u Dipartimentu di l'Energia sò attualmente travagliendu cù u candidatu di punta: u tungstenu, chì hà u puntu di fusione più altu è a pressione di vapore più bassa di tutti i metalli nantu à a tavola periodica, è ancu una forza di tensione assai alta - proprietà chì facenu bè adattatu per piglià l'abusu per longu periodi di tempu. Sò cuncentrati à capisce cumu u tungstenu funziunà in un reattore di fusione, un dispositivu chì riscalda l'atomi di luce à temperature più calde di u core di u sole per fusione è liberanu energia. U gasu di l'idrogenu in un reactore di fusione hè cunvertitu in plasma di l'idrogenu - un statu di materia chì hè custituitu di gas parzialmente ionizatu - chì hè dopu cunfinatu in una piccula regione da forti campi magnetichi o laser.

"Ùn vulete micca mette qualcosa in u vostru reattore chì dura solu un paru di ghjorni", disse Unterberg, un scientist di ricerca senior in a Divisione di Fusion Energy di ORNL. "Vulete avè una vita abbastanza. Pudemu tungstenu in e zone induve anticipemu chì ci sarà un bumbardamentu di plasma assai altu ".

In u 2016, Unterberg è a squadra cuminciaru à fà esperimenti in u tokamak, un reactore di fusione chì usa campi magnetichi per cuntene un anellu di plasma, in a DIII-D National Fusion Facility, una facilità d'utilizatori DOE Office of Science in San Diego. Vulenu sapè se u tungstenu puderia esse usatu per blindà a camera à vacuum di u tokamak - pruteggelu da a distruzzione rapida causata da l'effetti di u plasma - senza contaminazione assai u plasma stessu. Questa contaminazione, s'ellu ùn hè micca abbastanza gestita, puderia in fine extingui a reazione di fusione.

"Avemu pruvatu à determinà quali spazii in a camera seranu particularmente male: induve u tungstenu era più prubabile di generà impurità chì ponu contaminà u plasma", disse Unterberg.

Per truvà chì, i circadori anu utilizatu un isotopo arricchitu di tungstenu, W-182, cù l'isotopo micca mudificatu, per traccia l'erosione, u trasportu è a redeposizione di tungstenu da u divertor. Fighjendu u muvimentu di tungstènu in u divertore - una zona in a camera di vacuum cuncepita per svià u plasma è l'impurità - li hà datu una stampa più chjara di cumu si erode da e superfici in u tokamak è interagisce cù u plasma. L'isotopo di tungstenu arricchitu hà e stesse proprietà fisiche è chimiche di u tungstenu regulare. L'esperimenti à DIII-D anu utilizatu picculi inserti metallici rivestiti cù l'isotopo arricchitu situatu vicinu, ma micca à, a zona di flussu di calore più altu, una zona in u bastimentu tipicamente chjamata a regione divertor far-target. Separatamente, à una regione divertor cù i flussi più altu, u puntu di strike, i circadori anu utilizatu inserti cù l'isotopo micca mudificatu. U restu di a camera DIII-D hè blindatu cù grafite.

Cette configuration a permis aux chercheurs de collecter des échantillons sur des sondes spéciales insérées temporairement dans la chambre pour mesurer le flux d'impuretés vers et depuis l'armure du vaisseau, ce qui pourrait leur donner une idée plus précise de l'endroit où le tungstène s'était évacué du déviateur dans la chambre. urigginatu.

"Usà l'isotopo arricchitu ci hà datu una impronta digitale unica", disse Unterberg.

Era u primu tali esperimentu realizatu in un dispositivu di fusione. Un scopu era di determinà i migliori materiali è u locu per questi materiali per l'armatura di a camera, mantenendu impurità causate da l'interazzione plasma-materiale largamente cuntenute à u divertor è micca contaminando u plasma core cunfinatu à magneti utilizatu per pruduce a fusione.

Una cumplicazione cù u disignu è u funziunamentu di divertors hè a contaminazione di impurità in u plasma causata da modi localizzati in u bordu, o ELM. Arcuni di sti avvenimenti veloci, d'alta energia, simili à i flares solari, ponu dannà o distrughjenu cumpunenti di i navi, cum'è i platti divertori. A freccia di l'ELM, i tempi per secunna di questi avvenimenti, hè un indicatore di a quantità di energia liberata da u plasma à u muru. L'ELM d'alta frequenza ponu liberà quantità di plasma per eruzione, ma se l'ELM sò menu frequenti, u plasma è l'energia liberata per eruzione hè alta, cù una probabilità maiò di danni. Ricerche recenti anu cercatu modi per cuntrullà è aumentà a freccia di ELM, cum'è cù l'iniezione di pellet o campi magnetichi supplementari à magnitudini assai chjuchi.

A squadra di Unterberg hà truvatu, cum'è s'aspittavanu, chì avè u tungstenu luntanu da u puntu di scontru à flussu elevatu hà aumentatu assai a probabilità di contaminazione quandu esposta à ELM di bassa frequenza chì anu un cuntenutu energeticu più altu è un cuntattu di superficia per avvenimentu. Inoltre, a squadra hà trovu chì sta regione divertora di u distinu luntanu era più propensu à a contaminazione di u SOL, ancu s'ellu hà generalmente flussi più bassi cà u puntu di strike. Questi risultati apparentemente contraintuitivi sò cunfirmati da i sforzi di mudeli di divertor in corso in relazione à stu prughjettu è esperimenti futuri nantu à DIII-D.

Stu prughjettu hà implicatu una squadra di esperti di l'America di u Nordu, cumpresi i cullaburatori di Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, l'Università di California in San Diego, l'Università di Toronto, l'Università di Tennessee-Knoxville, è l'Università di Wisconsin-Madison, perchè furnia un strumentu significativu per a ricerca di l'interazzione plasma-materiale. L'Uffiziu di Scienze di u DOE (Fusion Energy Sciences) hà furnitu supportu per u studiu.

A squadra hà publicatu a ricerca in linea prima di questu annu in a rivistaFusione nucleare.

A ricerca puderia benefiziu immediatamente u Torus European Joint, o JET, è l'ITER, avà in custruzzione in Cadarache, in Francia, tramindui chì utilizanu armatura di tungstenu per u divertor.

"Ma guardemu e cose oltre ITER è JET - guardemu i reattori di fusione di u futuru", disse Unterberg. "Induve hè megliu per mette tungstenu, è induve ùn deve micca mette tungstenu? U nostru scopu ultimu hè di blindà i nostri reattori di fusione, quandu venenu, in modu intelligente ".

Unterberg hà dettu chì l'unicu Gruppu di Isotopi Stabili di ORNL, chì hà sviluppatu è pruvatu u revestimentu isotopiu arricchitu prima di mette in una forma utile per l'esperimentu, hà fattu a ricerca pussibule. Ddu isotopo ùn saria micca dispunibile in ogni locu, ma da u Centru Naziunale di Sviluppu Isotopi in ORNL, chì mantene una riserva di quasi tutti l'elementi separati isotopicamente, disse.

"ORNL hà una sperienza unica è desideri particulari per stu tipu di ricerca", disse Unterberg. "Avemu un longu legatu di sviluppà isotopi è aduprà quelli in ogni tipu di ricerca in diverse applicazioni in u mondu".

Inoltre, ORNL gestisce US ITER.

In seguitu, a squadra hà da guardà cumu mette u tungstenu in divertors di forma diversa puderia influenzà a contaminazione di u core. Diversi geometrii divertori puderanu minimizzà l'effetti di l'interazzione plasma-materiale nantu à u plasma core, anu teorizatu. Sapendu a megliu forma per un divertore - un cumpunente necessariu per un dispositivu di plasma cunfinatu magneticu - mette i scientifichi un passu più vicinu à un reattore di plasma viable.

"Se noi, cum'è una sucità, dicemu chì vulemu chì l'energia nucleare succede, è vulemu passà à a prossima tappa", disse Unterberg, "a fusione seria u santu graal".