Vnitřek budoucích reaktorů na jadernou fúzi bude patřit mezi nejdrsnější prostředí, jaké kdy na Zemi vzniklo. Co je dostatečně silné na to, aby chránilo vnitřek fúzního reaktoru před tepelnými toky produkovanými plazmou, které se podobají raketoplánům vracejícím se do zemské atmosféry?

Výzkumníci ORNL použili přírodní wolfram (žlutý) a obohacený wolfram (oranžový) ke sledování eroze, transportu a redepozice wolframu. Wolfram je hlavní možností pancéřování vnitřku fúzního zařízení.

Zeke Unterberg a jeho tým v Národní laboratoři Oak Ridge ministerstva energetiky v současné době pracují s hlavním kandidátem: wolframem, který má nejvyšší bod tání a nejnižší tlak par ze všech kovů v periodické tabulce a také velmi vysokou pevnost v tahu – vlastnosti, díky kterým je vhodný pro dlouhodobé zneužívání. Zaměřují se na pochopení toho, jak by wolfram fungoval uvnitř fúzního reaktoru, zařízení, které ohřívá lehké atomy na teploty vyšší než sluneční jádro, takže se spojí a uvolní energii. Plynný vodík se ve fúzním reaktoru přeměňuje na vodíkové plazma – stav hmoty, který se skládá z částečně ionizovaného plynu – který je pak omezen v malé oblasti silnými magnetickými poli nebo lasery.

"Nechcete dát do svého reaktoru něco, co vydrží jen pár dní," řekl Unterberg, vedoucí výzkumný pracovník v divizi fúzní energie ORNL. „Chcete mít dostatečnou životnost. Umístili jsme wolfram do oblastí, kde předpokládáme, že bude velmi silné plazmové bombardování.“

V roce 2016 Unterberg a tým začali provádět experimenty v tokamaku, fúzním reaktoru, který využívá magnetická pole k udržení prstence plazmy, v DIII-D National Fusion Facility, uživatelském zařízení DOE Office of Science v San Diegu. Chtěli vědět, zda lze wolfram použít k pancéřování vakuové komory tokamaku – chránit ji před rychlou destrukcí způsobenou účinky plazmy – aniž by došlo k silné kontaminaci plazmy samotné. Tato kontaminace, pokud není dostatečně zvládnuta, by mohla nakonec uhasit fúzní reakci.

"Snažili jsme se určit, které oblasti v komoře by byly obzvláště špatné: kde wolfram s největší pravděpodobností vytváří nečistoty, které mohou kontaminovat plazmu," řekl Unterberg.

Aby to vědci zjistili, použili obohacený izotop wolframu W-182 spolu s nemodifikovaným izotopem ke sledování eroze, transportu a redepozice wolframu z divertoru. Pohled na pohyb wolframu v divertoru – oblasti ve vakuové komoře určené k odvádění plazmy a nečistot – jim poskytl jasnější obrázek o tom, jak eroduje z povrchů v tokamaku a jak interaguje s plazmou. Obohacený izotop wolframu má stejné fyzikální a chemické vlastnosti jako běžný wolfram. Experimenty na DIII-D používaly malé kovové vložky potažené obohaceným izotopem umístěné blízko, ale ne v zóně nejvyššího tepelného toku, oblasti v nádobě, která se obvykle nazývá oblast vzdáleného cíle divertoru. Odděleně, v oblasti divertoru s nejvyššími toky, bodem úderu, výzkumníci použili vložky s nemodifikovaným izotopem. Zbytek komory DIII-D je pancéřován grafitem.

Toto nastavení umožnilo výzkumníkům sbírat vzorky na speciálních sondách dočasně vložených do komory pro měření toku nečistot do a z pancíře plavidla, což jim mohlo poskytnout přesnější představu o tom, kam se dostal wolfram, který unikal z divertoru do komory. vznikl.

"Použití obohaceného izotopu nám dalo jedinečný otisk prstu," řekl Unterberg.

Byl to první takový experiment prováděný ve fúzním zařízení. Jedním z cílů bylo určit nejlepší materiály a umístění pro tyto materiály pro pancéřování komory a zároveň udržet nečistoty způsobené interakcemi plazma-materiál z velké části obsažené v divertoru a nekontaminující plazmu v magnetu uzavřeném jádru používané k produkci fúze.

Jednou komplikací s konstrukcí a provozem divertorů je kontaminace plazmy nečistotami způsobená režimy lokalizovanými na hraně neboli ELM. Některé z těchto rychlých, vysokoenergetických jevů, podobných slunečním erupcím, mohou poškodit nebo zničit součásti plavidla, jako jsou divertorové desky. Frekvence ELM, časy za sekundu, kdy tyto události nastanou, je indikátorem množství energie uvolněné z plazmatu do stěny. Vysokofrekvenční ELM mohou uvolňovat malé množství plazmy na erupci, ale pokud jsou ELM méně časté, plazma a energie uvolněné při erupci jsou vysoké, s větší pravděpodobností poškození. Nedávný výzkum se zabýval způsoby, jak řídit a zvýšit frekvenci ELM, jako je vstřikování pelet nebo přídavná magnetická pole o velmi malých velikostech.

Unterbergův tým zjistil, jak očekávali, že umístění wolframu daleko od bodu úderu s vysokým tokem značně zvýšilo pravděpodobnost kontaminace při vystavení nízkofrekvenčním ELM, které mají vyšší energetický obsah a povrchový kontakt na událost. Kromě toho tým zjistil, že tato oblast vzdáleného cíle byla náchylnější ke kontaminaci SOL, i když má obecně nižší toky než bod úderu. Tyto zdánlivě neintuitivní výsledky potvrzují pokračující snahy o modelování divertorů v souvislosti s tímto projektem a budoucími experimenty na DIII-D.

Na tomto projektu se podílel tým odborníků z celé Severní Ameriky, včetně spolupracovníků z Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratories, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, University of California v San Diegu, University of Toronto, University of Tennessee-Knoxville a University of Wisconsin-Madison, protože poskytly významný nástroj pro interakci plazma-materiál výzkum. Vědecký úřad DOE (Fusion Energy Sciences) poskytl studii podporu.

Tým publikoval výzkum online začátkem tohoto roku v časopiseJaderná fúze.

Výzkum by mohl okamžitě prospět společným evropským torusům neboli JET a ITER, které se nyní staví ve francouzském Cadarache, přičemž oba používají wolframové pancéřování pro divertor.

"Ale díváme se na věci mimo ITER a JET - díváme se na fúzní reaktory budoucnosti," řekl Unterberg. „Kam je nejlepší dát wolfram a kam byste wolfram dávat neměli? Naším konečným cílem je chytře obrnit naše fúzní reaktory, když přijdou.“

Unterberg řekl, že výzkum umožnila jedinečná skupina Stable Isotopes Group ORNL, která vyvinula a testovala obohacený izotopový povlak předtím, než jej dala do formy užitečné pro experiment. Tento izotop by nebyl dostupný nikde jinde než v Národním středisku pro vývoj izotopů v ORNL, které udržuje zásoby téměř každého izotopově odděleného prvku, řekl.

"ORNL má jedinečné odborné znalosti a zvláštní přání pro tento typ výzkumu," řekl Unterberg. "Máme dlouhou tradici vývoje izotopů a jejich používání ve všech druzích výzkumu v různých aplikacích po celém světě."

Kromě toho ORNL řídí US ITER.

Dále se tým podívá na to, jak může umístění wolframu do různě tvarovaných divertorů ovlivnit kontaminaci jádra. Různé geometrie divertorů by mohly minimalizovat účinky interakcí plazma-materiál na plazmu jádra, teoretizovali. Znalost nejlepšího tvaru divertoru – nezbytné součásti pro magneticky omezené plazmové zařízení – by vědce posunula o krok blíže k životaschopnému plazmovému reaktoru.

"Pokud jako společnost říkáme, že chceme, aby došlo k jaderné energii, a chceme přejít do další fáze," řekl Unterberg, "fúze by byla svatým grálem."