Das Innere zukünftiger Kernfusionsreaktoren wird zu den rauesten Umgebungen gehören, die jemals auf der Erde geschaffen wurden. Was ist stark genug, um das Innere eines Fusionsreaktors vor durch Plasma erzeugten Wärmeströmen zu schützen, ähnlich dem Wiedereintritt von Raumfähren in die Erdatmosphäre?

ORNL-Forscher verwendeten natürliches Wolfram (gelb) und angereichertes Wolfram (orange), um die Erosion, den Transport und die erneute Ablagerung von Wolfram zu verfolgen. Wolfram ist die beste Option zur Panzerung des Inneren einer Fusionsanlage.

Zeke Unterberg und sein Team am Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums arbeiten derzeit mit dem Spitzenkandidaten: Wolfram, das den höchsten Schmelzpunkt und den niedrigsten Dampfdruck aller Metalle im Periodensystem sowie eine sehr hohe Zugfestigkeit aufweist – Eigenschaften, die es gut geeignet machen, Missbrauch über einen längeren Zeitraum hinweg auszuhalten. Sie konzentrieren sich darauf, zu verstehen, wie Wolfram in einem Fusionsreaktor funktioniert, einem Gerät, das leichte Atome auf Temperaturen erhitzt, die höher sind als der Kern der Sonne, sodass sie verschmelzen und Energie freisetzen. Wasserstoffgas wird in einem Fusionsreaktor in Wasserstoffplasma umgewandelt – einen Aggregatzustand, der aus teilweise ionisiertem Gas besteht – das dann durch starke Magnetfelder oder Laser auf einen kleinen Bereich begrenzt wird.

„Sie wollen nichts in Ihren Reaktor einbauen, das nur ein paar Tage hält“, sagte Unterberg, ein leitender Forschungswissenschaftler in der Fusionsenergieabteilung des ORNL. „Sie möchten eine ausreichende Lebensdauer haben. Wir setzen Wolfram in Bereichen ein, in denen wir mit einem sehr starken Plasmabeschuss rechnen.“

Im Jahr 2016 begannen Unterberg und das Team mit der Durchführung von Experimenten im Tokamak, einem Fusionsreaktor, der Magnetfelder nutzt, um einen Plasmaring einzuschließen, in der DIII-D National Fusion Facility, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science in San Diego. Sie wollten wissen, ob Wolfram zur Panzerung der Vakuumkammer des Tokamaks verwendet werden könnte, um sie vor der schnellen Zerstörung durch die Auswirkungen des Plasmas zu schützen, ohne das Plasma selbst stark zu verunreinigen. Wenn diese Kontamination nicht ausreichend bekämpft wird, könnte sie letztlich die Fusionsreaktion zum Erliegen bringen.

„Wir versuchten herauszufinden, welche Bereiche in der Kammer besonders schlimm wären: dort, wo das Wolfram am wahrscheinlichsten Verunreinigungen erzeugt, die das Plasma kontaminieren können“, sagte Unterberg.

Um dies herauszufinden, verwendeten die Forscher ein angereichertes Wolframisotop, W-182, zusammen mit dem unmodifizierten Isotop, um die Erosion, den Transport und die erneute Ablagerung von Wolfram im Inneren des Divertors zu verfolgen. Die Betrachtung der Bewegung von Wolfram innerhalb des Divertors – einem Bereich innerhalb der Vakuumkammer, der Plasma und Verunreinigungen umlenken soll – verschaffte ihnen ein klareres Bild davon, wie es von Oberflächen innerhalb des Tokamaks erodiert und mit dem Plasma interagiert. Das angereicherte Wolframisotop hat die gleichen physikalischen und chemischen Eigenschaften wie normales Wolfram. Bei den Experimenten am DIII-D wurden kleine Metalleinsätze verwendet, die mit dem angereicherten Isotop beschichtet waren und in der Nähe, aber nicht in der Zone mit dem höchsten Wärmefluss platziert wurden, einem Bereich im Gefäß, der typischerweise als Divertor-Fernzielregion bezeichnet wird. Unabhängig davon verwendeten die Forscher in einer Divertorregion mit den höchsten Flüssen, dem Auftreffpunkt, Einsätze mit dem unmodifizierten Isotop. Der Rest der DIII-D-Kammer ist mit Graphit gepanzert.

Dieser Aufbau ermöglichte es den Forschern, Proben an speziellen Sonden zu sammeln, die vorübergehend in die Kammer eingeführt wurden, um den Verunreinigungsfluss zur und von der Schiffspanzerung zu messen, was ihnen eine genauere Vorstellung davon geben könnte, wo sich das Wolfram befand, das aus dem Divertor in die Kammer geleckt war entstand.

„Die Verwendung des angereicherten Isotops gab uns einen einzigartigen Fingerabdruck“, sagte Unterberg.

Es war das erste derartige Experiment, das in einer Fusionsanlage durchgeführt wurde. Ein Ziel bestand darin, die besten Materialien und den besten Ort für diese Materialien für die Kammerpanzerung zu bestimmen und gleichzeitig die durch Plasma-Material-Wechselwirkungen verursachten Verunreinigungen weitgehend im Divertor zu halten und das magnetbegrenzte Kernplasma, das zur Herstellung der Fusion verwendet wird, nicht zu verunreinigen.

Eine Komplikation bei der Konstruktion und dem Betrieb von Divertoren ist die Verunreinigung des Plasmas durch Verunreinigungen, die durch kantenlokalisierte Moden oder ELMs verursacht werden. Einige dieser schnellen, energiereichen Ereignisse, ähnlich wie Sonneneruptionen, können Schiffskomponenten wie Divertorplatten beschädigen oder zerstören. Die Häufigkeit der ELMs, also die Häufigkeit, mit der diese Ereignisse pro Sekunde auftreten, ist ein Indikator für die Energiemenge, die vom Plasma an die Wand abgegeben wird. Hochfrequente ELMs können pro Eruption geringe Mengen Plasma freisetzen. Wenn die ELMs jedoch weniger häufig sind, ist das pro Eruption freigesetzte Plasma und die Energie hoch, was zu einer größeren Wahrscheinlichkeit von Schäden führt. In der jüngsten Forschung wurde nach Möglichkeiten gesucht, die Frequenz von ELMs zu kontrollieren und zu erhöhen, beispielsweise durch Pelletinjektion oder zusätzliche Magnetfelder bei sehr kleinen Stärken.

Unterbergs Team stellte erwartungsgemäß fest, dass die Entfernung des Wolframs vom Einschlagpunkt mit hohem Fluss die Wahrscheinlichkeit einer Kontamination erheblich erhöhte, wenn es niederfrequenten ELMs ausgesetzt wurde, die einen höheren Energiegehalt und Oberflächenkontakt pro Ereignis aufweisen. Darüber hinaus stellte das Team fest, dass diese ferne Zielregion des Divertors anfälliger für eine Kontamination der SOL ist, obwohl sie im Allgemeinen geringere Flüsse aufweist als der Einschlagpunkt. Diese scheinbar kontraintuitiven Ergebnisse werden durch laufende Divertormodellierungsbemühungen im Zusammenhang mit diesem Projekt und zukünftigen Experimenten zu DIII-D bestätigt.

An diesem Projekt war ein Expertenteam aus ganz Nordamerika beteiligt, darunter Mitarbeiter des Princeton Plasma Physics Laboratory, des Lawrence Livermore National Laboratory, der Sandia National Laboratories, des ORNL, von General Atomics, der Auburn University, der University of California in San Diego, der University of Toronto, die University of Tennessee-Knoxville und die University of Wisconsin-Madison, da sie ein wichtiges Instrument für die Plasma-Material-Wechselwirkungsforschung darstellten. Das Office of Science (Fusion Energy Sciences) des DOE unterstützte die Studie.

Das Team veröffentlichte seine Forschungsergebnisse Anfang des Jahres online in der ZeitschriftKernfusion.

Die Forschung könnte unmittelbar dem Joint European Torus (JET) und ITER zugute kommen, die derzeit in Cadarache, Frankreich, gebaut werden und beide eine Wolframpanzerung für den Divertor verwenden.

„Aber wir schauen uns Dinge an, die über ITER und JET hinausgehen – wir schauen uns die Fusionsreaktoren der Zukunft an“, sagte Unterberg. „Wo setzt man Wolfram am besten ein und wo sollte man Wolfram nicht einsetzen? Unser oberstes Ziel ist es, unsere Fusionsreaktoren auf intelligente Weise zu panzern, wenn sie kommen.“

Unterberg sagte, die einzigartige Stable Isotopes Group des ORNL, die die angereicherte Isotopenbeschichtung entwickelte und testete, bevor sie sie in eine für das Experiment nützliche Form brachte, habe die Forschung ermöglicht. Dieses Isotop wäre nirgendwo sonst erhältlich gewesen als im National Isotope Development Center am ORNL, das einen Vorrat fast aller isotopengetrennten Elemente unterhält, sagte er.

„ORNL verfügt über einzigartiges Fachwissen und besondere Wünsche für diese Art von Forschung“, sagte Unterberg. „Wir haben eine lange Tradition in der Entwicklung von Isotopen und deren Einsatz in allen Arten von Forschung und für verschiedene Anwendungen auf der ganzen Welt.“

Darüber hinaus verwaltet ORNL US ITER.

Als nächstes wird das Team untersuchen, wie sich die Einbringung von Wolfram in unterschiedlich geformte Divertoren auf die Kontamination des Kerns auswirken könnte. Sie haben die Theorie aufgestellt, dass unterschiedliche Divertorgeometrien die Auswirkungen von Plasma-Material-Wechselwirkungen auf das Kernplasma minimieren könnten. Die Kenntnis der besten Form für einen Divertor – eine notwendige Komponente für ein magnetisch begrenztes Plasmagerät – würde Wissenschaftler einem brauchbaren Plasmareaktor einen Schritt näher bringen.

„Wenn wir als Gesellschaft sagen würden, dass wir Kernenergie wollen und zur nächsten Stufe übergehen wollen“, sagte Unterberg, „wäre die Fusion der heilige Gral.“