Indersiden af ​​fremtidige atomfusionsenergireaktorer vil være blandt de hårdeste miljøer, der nogensinde er produceret på Jorden. Hvad er stærkt nok til at beskytte indersiden af ​​en fusionsreaktor mod plasmaproducerede varmestrømme, der ligner rumfærger, der kommer ind i Jordens atmosfære igen?

ORNL-forskere brugte naturlig wolfram (gul) og beriget wolfram (orange) til at spore erosion, transport og genaflejring af wolfram. Wolfram er den førende mulighed for at pansere indersiden af ​​en fusionsenhed.

Zeke Unterberg og hans team ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory arbejder i øjeblikket med den førende kandidat: wolfram, som har det højeste smeltepunkt og laveste damptryk af alle metaller i det periodiske system, samt meget høj trækstyrke— egenskaber, der gør den velegnet til at tage misbrug i længere perioder. De er fokuseret på at forstå, hvordan wolfram ville fungere inde i en fusionsreaktor, en enhed, der opvarmer lysatomer til temperaturer, der er varmere end solens kerne, så de smelter sammen og frigiver energi. Hydrogengas i en fusionsreaktor omdannes til brintplasma - en stoftilstand, der består af delvist ioniseret gas - som derefter er begrænset i et lille område af stærke magnetfelter eller lasere.

"Du ønsker ikke at sætte noget i din reaktor, der kun varer et par dage," sagde Unterberg, en seniorforsker i ORNL's Fusion Energy Division. "Du vil gerne have tilstrækkelig levetid. Vi anbringer wolfram i områder, hvor vi forventer, at der vil være meget høj plasmabombardement."

I 2016 begyndte Unterberg og holdet at udføre eksperimenter i tokamak, en fusionsreaktor, der bruger magnetiske felter til at indeholde en ring af plasma, på DIII-D National Fusion Facility, en DOE Office of Science brugerfacilitet i San Diego. De ønskede at vide, om wolfram kunne bruges til at pansere tokamakens vakuumkammer – beskytte det mod hurtig ødelæggelse forårsaget af plasmapåvirkningerne – uden at forurene selve plasmaet kraftigt. Denne forurening kan, hvis den ikke håndteres tilstrækkeligt, i sidste ende slukke fusionsreaktionen.

"Vi forsøgte at bestemme, hvilke områder i kammeret, der ville være særligt dårlige: hvor wolfram var mest tilbøjelige til at generere urenheder, der kan forurene plasmaet," sagde Unterberg.

For at finde det brugte forskerne en beriget isotop af wolfram, W-182, sammen med den umodificerede isotop til at spore erosion, transport og genaflejring af wolfram inde fra aflederen. At se på bevægelsen af ​​wolfram inde i aflederen - et område i vakuumkammeret designet til at aflede plasma og urenheder - gav dem et klarere billede af, hvordan det eroderer fra overflader i tokamak og interagerer med plasmaet. Den berigede wolframisotop har de samme fysiske og kemiske egenskaber som almindelig wolfram. Forsøgene ved DIII-D brugte små metalindsatser belagt med den berigede isotop placeret tæt på, men ikke ved, den højeste varmefluxzone, et område i fartøjet, der typisk kaldes divertor-fjernmålområdet. Separat, i et omlederområde med de højeste fluxer, strejkepunktet, brugte forskere indsatser med den umodificerede isotop. Resten af ​​DIII-D kammeret er pansret med grafit.

Denne opsætning gjorde det muligt for forskerne at indsamle prøver på specielle sonder midlertidigt indsat i kammeret til måling af urenhedsflow til og fra fartøjets panser, hvilket kunne give dem en mere præcis idé om, hvor wolframen, der var sivet væk fra omlederen ind i kammeret, havde opstod.

"Brugen af ​​den berigede isotop gav os et unikt fingeraftryk," sagde Unterberg.

Det var det første sådant eksperiment udført i en fusionsenhed. Et mål var at bestemme de bedste materialer og placeringen af ​​disse materialer til kammerpansring, samtidig med at urenheder, der er forårsaget af plasma-materiale-interaktioner, i vid udstrækning er indeholdt i omlederen og ikke forurener det magnetbundne kerneplasma, der bruges til at producere fusion.

En komplikation med udformningen og driften af ​​omledere er urenhedsforurening i plasmaet forårsaget af kantlokaliserede tilstande eller ELM'er. Nogle af disse hurtige hændelser med høj energi, beslægtet med soludbrud, kan beskadige eller ødelægge fartøjskomponenter såsom afledningsplader. Hyppigheden af ​​ELM'erne, de gange i sekundet disse hændelser opstår, er en indikator for mængden af ​​energi, der frigives fra plasmaet til væggen. Højfrekvente ELM'er kan frigive lave mængder plasma pr. udbrud, men hvis ELM'erne er mindre hyppige, er plasmaet og energien, der frigives pr. udbrud, høj, med større sandsynlighed for skade. Nyere forskning har set på måder at kontrollere og øge frekvensen af ​​ELM'er, såsom med pelletinjektion eller yderligere magnetiske felter i meget små størrelser.

Unterbergs team fandt, som de forventede, at det at have wolfram langt fra højflux-angrebspunktet i høj grad øgede sandsynligheden for forurening, når de blev udsat for lavfrekvente ELM'er, der har højere energiindhold og overfladekontakt pr. hændelse. Derudover fandt holdet ud af, at denne fjernmålsregion var mere tilbøjelig til at forurene SOL, selvom den generelt har lavere fluxer end strejkepunktet. Disse tilsyneladende kontraintuitive resultater bekræftes af igangværende divertor-modelleringsbestræbelser i forhold til dette projekt og fremtidige eksperimenter på DIII-D.

Dette projekt involverede et team af eksperter fra hele Nordamerika, herunder samarbejdspartnere fra Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, University of California i San Diego, University of Toronto, University of Tennessee-Knoxville og University of Wisconsin-Madison, da det gav et væsentligt værktøj til plasma-materiale interaktionsforskning. DOE's Office of Science (Fusion Energy Sciences) ydede støtte til undersøgelsen.

Holdet offentliggjorde forskning online tidligere på året i tidsskriftetNuklear Fusion.

Forskningen kunne umiddelbart gavne Joint European Torus, eller JET, og ITER, der nu er under opførelse i Cadarache, Frankrig, som begge bruger wolframpanser til omlederen.

"Men vi ser på ting ud over ITER og JET - vi ser på fremtidens fusionsreaktorer," sagde Unterberg. ”Hvor er det bedst at lægge wolfram, og hvor bør man ikke lægge wolfram? Vores ultimative mål er at pansere vores fusionsreaktorer, når de kommer, på en smart måde."

Unterberg sagde, at ORNLs unikke stabile isotopgruppe, som udviklede og testede den berigede isotopbelægning, før den blev sat i en form, der var nyttig til eksperimentet, gjorde forskningen mulig. Denne isotop ville ikke have været tilgængelig andre steder end fra det nationale isotopudviklingscenter på ORNL, som opretholder et lager af næsten alle elementer isotopisk adskilt, sagde han.

"ORNL har unik ekspertise og særlige ønsker til denne type forskning," sagde Unterberg. "Vi har en lang arv fra at udvikle isotoper og bruge dem i alle former for forskning i forskellige applikationer rundt om i verden."

Derudover administrerer ORNL US ITER.

Dernæst vil teamet se på, hvordan det kan påvirke forurening af kernen at sætte wolfram i forskelligt formede omledere. Forskellige divertorgeometrier kunne minimere virkningerne af plasma-materiale-interaktioner på kerneplasmaet, har de teoretiseret. At kende den bedste form for en divertor - en nødvendig komponent til en magnetisk begrænset plasmaenhed - ville bringe videnskabsmænd et skridt tættere på en levedygtig plasmareaktor.

"Hvis vi som samfund siger, at vi ønsker, at atomenergi skal ske, og vi ønsker at gå videre til næste fase," sagde Unterberg, "ville fusion være den hellige gral."