Bydd y tu mewn i adweithyddion ynni ymasiad niwclear yn y dyfodol ymhlith yr amgylcheddau anoddaf a gynhyrchwyd erioed ar y Ddaear. Beth sy'n ddigon cryf i amddiffyn y tu mewn i adweithydd ymasiad rhag fflwcsau gwres a gynhyrchir â phlasma yn debyg i wennol ofod sy'n dychwelyd i atmosffer y Ddaear?

Defnyddiodd ymchwilwyr ORNL twngsten naturiol (melyn) a thwngsten cyfoethog (oren) i olrhain erydiad, cludo ac ail-leoli twngsten. Twngsten yw'r opsiwn mwyaf blaenllaw i arfogi y tu mewn i ddyfais ymasiad.

Ar hyn o bryd mae Zeke Unterberg a'i dîm yn Labordy Cenedlaethol Oak Ridge yr Adran Ynni yn gweithio gyda'r ymgeisydd blaenllaw: twngsten, sydd â'r pwynt toddi uchaf a'r pwysedd anwedd isaf o'r holl fetelau ar y bwrdd cyfnodol, yn ogystal â chryfder tynnol uchel iawn - eiddo sy'n ei gwneud yn addas iawn i gymryd cam-drin am gyfnodau hir o amser. Maent yn canolbwyntio ar ddeall sut y byddai twngsten yn gweithio y tu mewn i adweithydd ymasiad, dyfais sy'n gwresogi atomau golau i dymheredd yn boethach na chraidd yr haul fel eu bod yn asio ac yn rhyddhau egni. Mae nwy hydrogen mewn adweithydd ymasiad yn cael ei drawsnewid yn plasma hydrogen - cyflwr mater sy'n cynnwys nwy rhannol ïoneiddiedig - sydd wedyn yn cael ei gyfyngu mewn rhanbarth bach gan feysydd magnetig cryf neu laserau.

“Dydych chi ddim eisiau rhoi rhywbeth yn eich adweithydd sydd ond yn para ychydig o ddiwrnodau,” meddai Unterberg, uwch wyddonydd ymchwil yn Is-adran Ynni Fusion ORNL. “Rydych chi eisiau cael oes ddigonol. Rydyn ni'n rhoi twngsten mewn ardaloedd lle rydyn ni'n rhagweld y bydd peledu plasma uchel iawn. ”

Yn 2016, dechreuodd Unterberg a'r tîm gynnal arbrofion yn y tokamak, adweithydd ymasiad sy'n defnyddio meysydd magnetig i gynnwys cylch o plasma, yn y Cyfleuster Ymdoddiad Cenedlaethol DIII-D, cyfleuster defnyddwyr Swyddfa Wyddoniaeth DOE yn San Diego. Roeddent eisiau gwybod a ellid defnyddio twngsten i arfogi siambr wactod y tokamak - gan ei hamddiffyn rhag dinistr cyflym a achosir gan effeithiau plasma - heb halogi'r plasma ei hun yn drwm. Gallai'r halogiad hwn, os na chaiff ei reoli'n ddigonol, ddileu'r adwaith ymasiad yn y pen draw.

“Roeddem yn ceisio penderfynu pa feysydd yn y siambr a fyddai’n arbennig o ddrwg: lle’r oedd y twngsten yn fwyaf tebygol o gynhyrchu amhureddau a all halogi’r plasma,” meddai Unterberg.

I ddarganfod hynny, defnyddiodd yr ymchwilwyr isotop cyfoethog o twngsten, W-182, ynghyd â'r isotop heb ei addasu, i olrhain erydiad, cludo ac ail-leoli twngsten o'r tu mewn i'r dargyfeiriwr. O edrych ar symudiad twngsten o fewn y dargyfeiriwr - ardal o fewn y siambr wactod a gynlluniwyd i ddargyfeirio plasma ac amhureddau - rhoddwyd darlun cliriach iddynt o sut mae'n erydu o arwynebau yn y tokamak ac yn rhyngweithio â'r plasma. Mae gan yr isotop twngsten cyfoethog yr un priodweddau ffisegol a chemegol â thwngsten arferol. Defnyddiodd yr arbrofion yn DIII-D fewnosodiadau metel bach wedi'u gorchuddio â'r isotop cyfoethog wedi'i osod yn agos at, ond nid ar, y parth fflwcs gwres uchaf, ardal yn y llong a elwir yn nodweddiadol yn rhanbarth targed pell y dargyfeiriwr. Ar wahân, mewn rhanbarth dargyfeirio gyda'r llifau uchaf, y pwynt streic, defnyddiodd ymchwilwyr fewnosodiadau gyda'r isotop heb ei addasu. Mae gweddill y siambr DIII-D wedi'i harfogi â graffit.

Roedd y gosodiad hwn yn caniatáu i'r ymchwilwyr gasglu samplau ar stilwyr arbennig a fewnosodwyd dros dro yn y siambr i fesur llif amhuredd i ac o arfwisg y llong, a allai roi syniad mwy manwl gywir iddynt o ble roedd y twngsten a oedd wedi gollwng i ffwrdd o'r dargyfeiriwr i'r siambr. tarddu.

“Rhoddodd defnyddio’r isotop cyfoethog olion bysedd unigryw i ni,” meddai Unterberg.

Hwn oedd yr arbrawf cyntaf o'r fath a gynhaliwyd mewn dyfais ymasiad. Un nod oedd pennu'r deunyddiau a'r lleoliad gorau ar gyfer y deunyddiau hyn ar gyfer arfwisgo siambr, tra'n cadw amhureddau a achosir gan ryngweithiadau deunydd plasma wedi'u cynnwys yn bennaf i'r dargyfeiriwr ac nad yw'n halogi'r plasma craidd wedi'i gyfyngu â magnet a ddefnyddir i gynhyrchu ymasiad.

Un cymhlethdod gyda dyluniad a gweithrediad dargyfeiriwyr yw halogiad amhuredd yn y plasma a achosir gan foddau ymyl-leoliad, neu ELMs. Gall rhai o'r digwyddiadau cyflym, ynni-uchel hyn, sy'n debyg i fflachiadau solar, niweidio neu ddinistrio cydrannau llongau fel platiau dargyfeirio. Mae amlder yr ELMs, yr amseroedd yr eiliad y mae'r digwyddiadau hyn yn digwydd, yn ddangosydd o faint o egni sy'n cael ei ryddhau o'r plasma i'r wal. Gall ELMs amledd uchel ryddhau symiau isel o blasma fesul ffrwydrad, ond os yw'r ELMs yn llai aml, mae'r plasma a'r egni a ryddheir fesul ffrwydrad yn uchel, gyda mwy o debygolrwydd o ddifrod. Mae ymchwil diweddar wedi edrych ar ffyrdd o reoli a chynyddu amlder ELMs, megis gyda chwistrelliad pelenni neu feysydd magnetig ychwanegol ar feintiau bach iawn.

Canfu tîm Unterberg, fel yr oeddent yn ei ddisgwyl, fod cael y twngsten ymhell o'r pwynt taro fflwcs uchel yn cynyddu'n fawr y tebygolrwydd o halogiad pan fyddant yn agored i ELMs amledd isel sydd â chynnwys ynni uwch a chyswllt arwyneb fesul digwyddiad. Yn ogystal, canfu'r tîm fod rhanbarth targed pell y dargyfeiriwr hwn yn fwy tueddol o halogi'r SOL er bod ganddo fflwcsau is yn gyffredinol na'r pwynt taro. Mae'r canlyniadau hyn sy'n ymddangos yn wrthreddfol yn cael eu cadarnhau gan ymdrechion modelu dargyfeiriwr parhaus mewn perthynas â'r prosiect hwn ac arbrofion yn y dyfodol ar DIII-D.

Roedd y prosiect hwn yn cynnwys tîm o arbenigwyr o bob rhan o Ogledd America, gan gynnwys cydweithwyr o Labordy Ffiseg Plasma Princeton, Labordy Cenedlaethol Lawrence Livermore, Labordai Cenedlaethol Sandia, ORNL, General Atomics, Prifysgol Auburn, Prifysgol California yn San Diego, Prifysgol Toronto, Prifysgol Tennessee-Knoxville, a Phrifysgol Wisconsin-Madison, gan ei fod yn darparu offeryn arwyddocaol ar gyfer ymchwil rhyngweithio deunydd plasma. Darparodd Swyddfa Gwyddoniaeth (Fusion Energy Sciences) DOE gefnogaeth ar gyfer yr astudiaeth.

Cyhoeddodd y tîm ymchwil ar-lein yn gynharach eleni yn y cyfnodolynYmasiad Niwclear.

Gallai'r ymchwil fod o fudd ar unwaith i'r Cyd-torws Ewropeaidd, neu JET, ac ITER, sydd bellach yn cael eu hadeiladu yn Cadarache, Ffrainc, y ddau ohonynt yn defnyddio arfwisg twngsten ar gyfer y dargyfeiriwr.

“Ond rydyn ni’n edrych ar bethau y tu hwnt i ITER a JET - rydyn ni’n edrych ar adweithyddion ymasiad y dyfodol,” meddai Unterberg. “Ble mae'n well rhoi twngsten, a ble na ddylech chi roi twngsten? Ein nod yn y pen draw yw arfogi ein hadweithyddion ymasiad, pan ddônt, mewn ffordd glyfar.”

Dywedodd Unterberg fod Grŵp Isotopau Sefydlog unigryw ORNL, a ddatblygodd a phrofodd y gorchudd isotop cyfoethog cyn ei roi mewn ffurf ddefnyddiol ar gyfer yr arbrawf, wedi gwneud yr ymchwil yn bosibl. Ni fyddai’r isotop hwnnw wedi bod ar gael yn unman ond o’r Ganolfan Datblygu Isotopau Genedlaethol yn ORNL, sy’n cynnal pentwr o bron pob elfen sydd wedi’i gwahanu’n isotopig, meddai.

“Mae gan ORNL arbenigedd unigryw a dyheadau penodol ar gyfer y math hwn o ymchwil,” meddai Unterberg. “Mae gennym ni etifeddiaeth hir o ddatblygu isotopau a defnyddio’r rheini mewn pob math o ymchwil mewn gwahanol gymwysiadau ledled y byd.”

Yn ogystal, mae ORNL yn rheoli US ITER.

Nesaf, bydd y tîm yn edrych ar sut y gallai rhoi twngsten mewn dargyfeiriwyr o wahanol siâp effeithio ar halogiad y craidd. Gallai geometregau dargyfeirio gwahanol leihau effeithiau rhyngweithiadau deunydd plasma ar y plasma craidd, maent wedi damcaniaethu. Byddai gwybod y siâp gorau ar gyfer dargyfeiriwr - cydran angenrheidiol ar gyfer dyfais plasma â chyfyngiad magnetig - yn rhoi gwyddonwyr gam yn nes at adweithydd plasma hyfyw.

“Os ydyn ni, fel cymdeithas, yn dweud ein bod ni eisiau i ynni niwclear ddigwydd, a’n bod ni am symud i’r cam nesaf,” meddai Unterberg, “fusion fyddai’r greal sanctaidd.”