Το εσωτερικό των μελλοντικών αντιδραστήρων πυρηνικής σύντηξης θα είναι από τα πιο σκληρά περιβάλλοντα που έχουν παραχθεί ποτέ στη Γη. Τι είναι αρκετά ισχυρό για να προστατεύει το εσωτερικό ενός αντιδραστήρα σύντηξης από ροές θερμότητας που παράγονται από το πλάσμα, παρόμοιες με τα διαστημικά λεωφορεία που εισέρχονται στην ατμόσφαιρα της Γης;

Οι ερευνητές του ORNL χρησιμοποίησαν φυσικό βολφράμιο (κίτρινο) και εμπλουτισμένο βολφράμιο (πορτοκαλί) για να εντοπίσουν τη διάβρωση, τη μεταφορά και την επανααπόθεση του βολφραμίου. Το βολφράμιο είναι η κορυφαία επιλογή για θωράκιση του εσωτερικού μιας συσκευής σύντηξης.

Ο Zeke Unterberg και η ομάδα του στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge του Τμήματος Ενέργειας εργάζονται αυτήν τη στιγμή με τον κορυφαίο υποψήφιο: το βολφράμιο, το οποίο έχει το υψηλότερο σημείο τήξης και τη χαμηλότερη τάση ατμών από όλα τα μέταλλα στον περιοδικό πίνακα, καθώς και πολύ υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό- ιδιότητες που το καθιστούν κατάλληλο για κατάχρηση για μεγάλες χρονικές περιόδους. Επικεντρώνονται στο να κατανοήσουν πώς θα λειτουργούσε το βολφράμιο μέσα σε έναν αντιδραστήρα σύντηξης, μια συσκευή που θερμαίνει ελαφρά άτομα σε θερμοκρασίες υψηλότερες από τον πυρήνα του ήλιου, έτσι ώστε να συγχωνεύονται και να απελευθερώνουν ενέργεια. Το αέριο υδρογόνο σε έναν αντιδραστήρα σύντηξης μετατρέπεται σε πλάσμα υδρογόνου - μια κατάσταση ύλης που αποτελείται από μερικώς ιονισμένο αέριο - το οποίο στη συνέχεια περιορίζεται σε μια μικρή περιοχή από ισχυρά μαγνητικά πεδία ή λέιζερ.

«Δεν θέλετε να βάλετε κάτι στον αντιδραστήρα σας που διαρκεί μόνο μερικές ημέρες», είπε ο Unterberg, ανώτερος ερευνητής στο Τμήμα Ενέργειας Σύντηξης του ORNL. «Θέλετε να έχετε επαρκή διάρκεια ζωής. Βάζουμε βολφράμιο σε περιοχές όπου αναμένουμε ότι θα υπάρξει πολύ υψηλός βομβαρδισμός πλάσματος».

Το 2016, ο Unterberg και η ομάδα άρχισαν να διεξάγουν πειράματα στο tokamak, έναν αντιδραστήρα σύντηξης που χρησιμοποιεί μαγνητικά πεδία για να περιέχει έναν δακτύλιο πλάσματος, στο DIII-D National Fusion Facility, μια εγκατάσταση χρηστών του DOE Office of Science στο Σαν Ντιέγκο. Ήθελαν να μάθουν εάν το βολφράμιο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη θωράκιση του θαλάμου κενού του tokamak - προστατεύοντάς τον από την ταχεία καταστροφή που προκαλείται από τις επιπτώσεις του πλάσματος - χωρίς να μολύνει πολύ το ίδιο το πλάσμα. Αυτή η μόλυνση, εάν δεν αντιμετωπιστεί επαρκώς, θα μπορούσε τελικά να σβήσει την αντίδραση σύντηξης.

«Προσπαθούσαμε να προσδιορίσουμε ποιες περιοχές στον θάλαμο θα ήταν ιδιαίτερα κακές: όπου το βολφράμιο ήταν πιο πιθανό να δημιουργήσει ακαθαρσίες που μπορούν να μολύνουν το πλάσμα», είπε ο Unterberg.

Για να το διαπιστώσουν αυτό, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα εμπλουτισμένο ισότοπο βολφραμίου, το W-182, μαζί με το μη τροποποιημένο ισότοπο, για να εντοπίσουν τη διάβρωση, τη μεταφορά και την επανααπόθεση του βολφραμίου από το εσωτερικό του εκτροπέα. Κοιτώντας την κίνηση του βολφραμίου μέσα στον εκτροπέα - μια περιοχή μέσα στον θάλαμο κενού που έχει σχεδιαστεί για να εκτρέπει το πλάσμα και τις ακαθαρσίες - τους έδωσε μια σαφέστερη εικόνα του πώς διαβρώνεται από τις επιφάνειες μέσα στο tokamak και αλληλεπιδρά με το πλάσμα. Το εμπλουτισμένο ισότοπο βολφραμίου έχει τις ίδιες φυσικές και χημικές ιδιότητες με το κανονικό βολφράμιο. Τα πειράματα στο DIII-D χρησιμοποίησαν μικρά μεταλλικά ένθετα επικαλυμμένα με το εμπλουτισμένο ισότοπο τοποθετημένο κοντά, αλλά όχι στη ζώνη της υψηλότερης ροής θερμότητας, μια περιοχή στο σκάφος που συνήθως ονομάζεται περιοχή μακρινής στόχου εκτροπέα. Ξεχωριστά, σε μια περιοχή εκτροπής με τις υψηλότερες ροές, το σημείο κρούσης, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένθετα με το μη τροποποιημένο ισότοπο. Το υπόλοιπο του θαλάμου DIII-D είναι θωρακισμένο με γραφίτη.

Αυτή η διάταξη επέτρεψε στους ερευνητές να συλλέξουν δείγματα σε ειδικούς ανιχνευτές που είχαν εισαχθεί προσωρινά στο θάλαμο για τη μέτρηση της ροής ακαθαρσιών προς και από τη θωράκιση του σκάφους, κάτι που θα μπορούσε να τους δώσει μια πιο ακριβή ιδέα για το πού είχε διαρρεύσει το βολφράμιο που είχε διαρρεύσει από τον εκτροπέα στον θάλαμο. προέρχεται.

«Η χρήση του εμπλουτισμένου ισοτόπου μας έδωσε ένα μοναδικό δακτυλικό αποτύπωμα», είπε ο Unterberg.

Ήταν το πρώτο τέτοιο πείραμα που πραγματοποιήθηκε σε συσκευή σύντηξης. Ένας στόχος ήταν να προσδιοριστούν τα καλύτερα υλικά και η θέση για αυτά τα υλικά για θωράκιση θαλάμου, διατηρώντας παράλληλα τις ακαθαρσίες που προκαλούνται από αλληλεπιδράσεις πλάσματος-υλικού που περιέχονται σε μεγάλο βαθμό στον εκτροπέα και δεν μολύνουν το πλάσμα του πυρήνα που περιορίζεται σε μαγνήτη που χρησιμοποιείται για την παραγωγή σύντηξης.

Μια επιπλοκή με το σχεδιασμό και τη λειτουργία των εκτροπέων είναι η μόλυνση από ακαθαρσίες στο πλάσμα που προκαλείται από τρόπους εντοπισμού στην άκρη ή ELM. Μερικά από αυτά τα γρήγορα, υψηλής ενέργειας συμβάντα, παρόμοια με ηλιακές εκλάμψεις, μπορούν να βλάψουν ή να καταστρέψουν εξαρτήματα του σκάφους, όπως οι πλάκες εκτροπής. Η συχνότητα των ELM, οι φορές ανά δευτερόλεπτο που συμβαίνουν αυτά τα συμβάντα, είναι ένας δείκτης της ποσότητας ενέργειας που απελευθερώνεται από το πλάσμα στον τοίχο. Τα ELM υψηλής συχνότητας μπορούν να απελευθερώσουν χαμηλές ποσότητες πλάσματος ανά έκρηξη, αλλά εάν τα ELM είναι λιγότερο συχνά, το πλάσμα και η ενέργεια που απελευθερώνεται ανά έκρηξη είναι υψηλή, με μεγαλύτερη πιθανότητα βλάβης. Πρόσφατη έρευνα εξέτασε τρόπους ελέγχου και αύξησης της συχνότητας των ELM, όπως με έγχυση σφαιριδίων ή πρόσθετα μαγνητικά πεδία σε πολύ μικρά μεγέθη.

Η ομάδα του Unterberg διαπίστωσε, όπως περίμεναν, ότι το να έχει το βολφράμιο μακριά από το σημείο κρούσης υψηλής ροής αύξησε σημαντικά την πιθανότητα μόλυνσης όταν εκτεθεί σε ELM χαμηλής συχνότητας που έχουν υψηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο και επιφανειακή επαφή ανά συμβάν. Επιπλέον, η ομάδα διαπίστωσε ότι αυτή η μακρινή περιοχή στόχου εκτροπέα ήταν πιο επιρρεπής στη μόλυνση του SOL, παρόλο που γενικά έχει χαμηλότερες ροές από το σημείο κρούσης. Αυτά τα φαινομενικά αντιφατικά αποτελέσματα επιβεβαιώνονται από τις συνεχείς προσπάθειες μοντελοποίησης εκτροπέων σε σχέση με αυτό το έργο και μελλοντικά πειράματα στο DIII-D.

Αυτό το έργο συμμετείχε μια ομάδα ειδικών από όλη τη Βόρεια Αμερική, συμπεριλαμβανομένων συνεργατών από το Εργαστήριο Φυσικής Πλάσματος του Πρίνστον, το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore, τα Εθνικά Εργαστήρια Sandia, ORNL, General Atomics, το Πανεπιστήμιο Auburn, το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο, το Πανεπιστήμιο του Τορόντο, το Πανεπιστήμιο του Tennessee-Knoxville και το Πανεπιστήμιο του Wisconsin-Madison, καθώς παρείχε ένα σημαντικό εργαλείο για την έρευνα αλληλεπίδρασης πλάσματος-υλικού. Το Γραφείο Επιστήμης της DOE (Fusion Energy Sciences) παρείχε υποστήριξη για τη μελέτη.

Η ομάδα δημοσίευσε έρευνα στο διαδίκτυο νωρίτερα φέτος στο περιοδικόΠυρηνική σύντηξη.

Η έρευνα θα μπορούσε να ωφελήσει αμέσως το Joint European Torus, ή JET, και το ITER, που βρίσκεται τώρα υπό κατασκευή στο Cadarache της Γαλλίας, και τα δύο χρησιμοποιούν θωράκιση βολφραμίου για τον εκτροπέα.

"Αλλά εξετάζουμε πράγματα πέρα ​​από το ITER και το JET - εξετάζουμε τους αντιδραστήρες σύντηξης του μέλλοντος", δήλωσε ο Unterberg. «Πού είναι καλύτερο να βάζετε βολφράμιο και πού δεν πρέπει να βάζετε βολφράμιο; Ο απώτερος στόχος μας είναι να θωρακίσουμε τους αντιδραστήρες σύντηξης μας, όταν έρθουν, με έξυπνο τρόπο».

Ο Unterberg είπε ότι η μοναδική ομάδα Stable Isotopes της ORNL, η οποία ανέπτυξε και δοκίμασε την εμπλουτισμένη επίστρωση ισοτόπων πριν τη βάλει σε μια μορφή χρήσιμη για το πείραμα, κατέστησε δυνατή την έρευνα. Αυτό το ισότοπο δεν θα ήταν διαθέσιμο πουθενά παρά μόνο από το Εθνικό Κέντρο Ανάπτυξης Ισοτόπων στο ORNL, το οποίο διατηρεί ένα απόθεμα σχεδόν κάθε στοιχείου διαχωρισμένου ισοτοπικά, είπε.

«Η ORNL έχει μοναδική τεχνογνωσία και ιδιαίτερες επιθυμίες για αυτού του είδους την έρευνα», είπε ο Unterberg. «Έχουμε μια μακρά κληρονομιά στην ανάπτυξη ισοτόπων και τη χρήση τους σε κάθε είδους έρευνα σε διαφορετικές εφαρμογές σε όλο τον κόσμο».

Επιπλέον, η ORNL διαχειρίζεται το US ITER.

Στη συνέχεια, η ομάδα θα εξετάσει πώς η τοποθέτηση βολφραμίου σε διαφορετικού σχήματος εκτροπείς μπορεί να επηρεάσει τη μόλυνση του πυρήνα. Διαφορετικές γεωμετρίες εκτροπέα θα μπορούσαν να ελαχιστοποιήσουν τις επιδράσεις των αλληλεπιδράσεων πλάσματος-υλικού στο πλάσμα του πυρήνα, έχουν θεωρήσει. Η γνώση του καλύτερου σχήματος για έναν εκτροπέα - απαραίτητο συστατικό για μια συσκευή πλάσματος περιορισμένης με μαγνητικά στοιχεία - θα έφερνε τους επιστήμονες ένα βήμα πιο κοντά σε έναν βιώσιμο αντιδραστήρα πλάσματος.

«Αν εμείς, ως κοινωνία, πούμε ότι θέλουμε να συμβεί η πυρηνική ενέργεια και θέλουμε να περάσουμε στο επόμενο στάδιο», είπε ο Unterberg, «η σύντηξη θα ήταν το ιερό δισκοπότηρο».