La interno de estontaj nukleaj fuziaj energiaj reaktoroj estos inter la plej severaj medioj iam ajn produktitaj sur la Tero. Kio estas sufiĉe forta por protekti la internon de fuzia reaktoro de plasmoproduktitaj varmofluoj similaj al kosmopramoj reenirantaj la atmosferon de la Tero?

Esploristoj de ORNL uzis naturan volframon (flava) kaj riĉigitan volframon (oranĝan) por spuri la erozion, transporton kaj redeponadon de volframo. Volframo estas la gvida opcio por kiras la internon de fuzia aparato.

Zeke Unterberg kaj lia teamo ĉe la Nacia Laboratorio de Oak Ridge de la Departemento de Energio nuntempe laboras kun la ĉefa kandidato: volframo, kiu havas la plej altan fandpunkton kaj plej malaltan vaporpremon de ĉiuj metaloj sur la perioda tabelo, same kiel tre altan tirstreĉo-reziston— propraĵoj kiuj igas ĝin bone taŭga por preni misuzon dum longaj periodoj. Ili koncentriĝas pri kompreni kiel volframo funkcios ene de fuzia reaktoro, aparato kiu varmigas malpezajn atomojn al temperaturoj pli varmaj ol la kerno de la suno por ke ili kunfandas kaj liberigas energion. Hidrogengaso en fuzia reaktoro estas konvertita en hidrogenan plasmon - stato de materio kiu konsistas el parte jonigita gaso - kiu tiam estas limigita en malgranda regiono per fortaj kampoj aŭ laseroj.

"Vi ne volas meti ion en vian reaktoron, kio daŭras nur kelkajn tagojn," diris Unterberg, altranga esploristo en la Fusion Energy Division de ORNL. “Vi volas havi sufiĉan vivdaŭron. Ni metas volframon en lokojn, kie ni antaŭvidas, ke estos tre alta plasmobombado."

En 2016, Unterberg kaj la teamo komencis fari eksperimentojn en la tokamak, fuzia reaktoro kiu uzas kampojn por enhavi ringon de plasmo, ĉe la DIII-D Nacia Fuzio-Instalaĵo, DOE Office of Science uzantinstalaĵo en San-Diego. Ili volis scii ĉu volframo povus esti uzita por kirasi la vakuoĉambron de la tokamak - protektante ĝin kontraŭ rapida detruo kaŭzita de la efikoj de plasmo - sen peze poluado de la plasmo mem. Tiu poluado, se ne sufiĉe administrita, povus finfine estingi la fuzioreagon.

"Ni provis determini, kiaj areoj en la ĉambro estus precipe malbonaj: kie la volframo plej verŝajne generis malpuraĵojn, kiuj povas polui la plasmon," diris Unterberg.

Por trovi tion, la esploristoj uzis riĉigitan izotopon de volframo, W-182, kune kun la nemodifita izotopo, por spuri la erozion, transporton kaj redeponon de volframo de ene de la deturnaĵo. Rigardante la movadon de volframo ene de la deturnilo - areo ene de la vakuokamero dizajnita por deturni plasmon kaj malpuraĵojn - donis al ili pli klaran bildon de kiel ĝi erozias de surfacoj ene de la tokamak kaj interagas kun la plasmo. La riĉigita volframa izotopo havas la samajn fizikajn kaj kemiajn trajtojn kiel regula volframo. La eksperimentoj ĉe DIII-D uzis malgrandajn metalenigaĵojn kovritajn per la riĉigita izotopo metita proksime al, sed ne ĉe, la plej alta varmoflua zono, areo en la ŝipo tipe nomita la deturnisto malproksima-cela regiono. Aparte, ĉe deturnaĵregiono kun la plej altaj fluoj, la strikpunkto, esploristoj uzis enigaĵojn kun la nemodifita izotopo. La resto de la DIII-D-kamero estas kirasa kun grafito.

Tiu aranĝo permesis al la esploristoj kolekti provaĵojn sur specialaj sondiloj provizore enmetitaj en la kamero por mezuri malpuraĵfluon al kaj de la ŝipa kiraso, kio povis doni al ili pli precizan ideon pri kie la volframo kiu likis for de la deturnaĵo en la kameron havis. originis.

"Uzi la riĉigitan izotopon donis al ni unikan fingrospuron," diris Unterberg.

Ĝi estis la unua tia eksperimento farita en fuzia aparato. Unu celo estis determini la plej bonajn materialojn kaj lokon por tiuj materialoj por kamerkiraso, konservante malpuraĵojn kaŭzitajn de plasmo-materialaj interagoj plejparte enhavitaj al la deturnisto kaj ne poluante la magnet-malvastan kernplasmon uzitan por produkti fuzion.

Unu komplikaĵo kun la dezajno kaj operacio de deturniloj estas malpuraĵpoluado en la plasmo kaŭzita de rand-lokigitaj reĝimoj, aŭ ELMoj. Kelkaj el tiuj rapidaj, alt-energiaj okazaĵoj, similaj al sunaj flamlumoj, povas difekti aŭ detrui ŝipajn komponantojn kiel ekzemple deturniĝplatoj. La ofteco de la ELMoj, la tempoj je sekundo ĉi tiuj eventoj okazas, estas indikilo de la kvanto de energio liberigita de la plasmo al la muro. Altfrekvencaj ELMoj povas liberigi malaltajn kvantojn de plasmo per erupcio, sed se la ELMoj estas malpli oftaj, la plasmo kaj energio liberigitaj per erupcio estas altaj, kun pli granda probableco por difekto. Lastatempa esplorado rigardis manierojn kontroli kaj pliigi la frekvencon de ELMoj, kiel ekzemple kun buleta injekto aŭ kromaj kampoj ĉe tre malgrandaj magnitudoj.

La teamo de Unterberg trovis, kiel ili atendis, ke havi la volframon malproksime de la altflua strikpunkto multe pliigis la probablecon de poluado kiam eksponite al malaltfrekvencaj ELM kiuj havas pli altan energienhavon kaj surfackontakton per okazaĵo. Aldone, la teamo trovis, ke ĉi tiu malproksime-cela regiono pli inklina al poluado de la SOL kvankam ĝi ĝenerale havas pli malaltajn fluojn ol la strikpunkto. Tiuj ŝajne kontraŭintuiciaj rezultoj estas konfirmitaj per daŭrantaj deturnantaj modeligaj klopodoj rilate al tiu projekto kaj estontaj eksperimentoj pri DIII-D.

Tiu ĉi projekto implikis teamon de spertuloj de tra Nordameriko, inkluzive de kunlaborantoj de Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, la Universitato de Kalifornio ĉe San-Diego, la Universitato de Toronto, la Universitato de Tenesio-Knoxville, kaj la Universitato de Viskonsino-Madison, ĉar ĝi disponigis signifan ilon por plasmo-materiala interaga esplorado. La Oficejo de Scienco de DOE (Fusion Energy Sciences) disponigis subtenon por la studo.

La teamo publikigis esplorojn interrete pli frue ĉi-jare en la revuoNuklea Fuzio.

La esplorado tuj povus profitigi la Joint European Torus, aŭ JET, kaj ITER, nun konstruatajn en Cadarache, Francio, kiuj ambaŭ uzas volframkirason por la deturnaĵo.

"Sed ni rigardas aferojn preter ITER kaj JET—ni rigardas la fuziajn reaktorojn de la estonteco," diris Unterberg. “Kie estas plej bone meti volframon, kaj kie oni ne metu volframon? Nia finfina celo estas kirasi niajn fuziajn reaktorojn, kiam ili venos, laŭ saĝa maniero."

Unterberg diris, ke la unika Stable Isotopes Group de ORNL, kiu disvolvis kaj provis la riĉigitan izotopan tegaĵon antaŭ ol meti ĝin en formo utila por la eksperimento, ebligis la esploradon. Tiu izotopo ne estus havebla ie ajn krom de la Nacia Izotopa Disvolva Centro ĉe ORNL, kiu konservas stokon de preskaŭ ĉiu elemento izotope apartigita, li diris.

"ORNL havas unikan kompetentecon kaj apartajn dezirojn por ĉi tiu speco de esplorado," diris Unterberg. "Ni havas longan heredaĵon disvolvi izotopojn kaj uzi tiujn en ĉiaj esploroj en malsamaj aplikoj tra la mondo."

Krome, ORNL administras US ITER.

Poste, la teamo rigardos kiel meti volframon en malsamformajn deturnilojn povus influi poluadon de la kerno. Malsamaj deturniggeometrioj povus minimumigi la efikojn de plasmo-materialaj interagoj sur la kernplasmo, ili teoriadis. Koni la plej bonan formon por deturnaĵo - necesa komponento por magnet-malfermita plasmo-aparato - metus sciencistojn unu paŝon pli proksime al realigebla plasmoreaktoro.

"Se ni, kiel socio, diras, ke ni volas ke nuklea energio okazu, kaj ni volas moviĝi al la sekva etapo," diris Unterberg, "fuzio estus la sankta gralo."