El interior de los futuros reactores de energía de fusión nuclear estará entre los entornos más hostiles jamás producidos en la Tierra. ¿Qué es lo suficientemente fuerte como para proteger el interior de un reactor de fusión de los flujos de calor producidos por plasma, similares a los de los transbordadores espaciales que reingresan a la atmósfera de la Tierra?

Los investigadores del ORNL utilizaron tungsteno natural (amarillo) y tungsteno enriquecido (naranja) para rastrear la erosión, el transporte y la redeposición del tungsteno. El tungsteno es la principal opción para blindar el interior de un dispositivo de fusión.

Zeke Unterberg y su equipo en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía están trabajando actualmente con el candidato principal: el tungsteno, que tiene el punto de fusión más alto y la presión de vapor más baja de todos los metales de la tabla periódica, así como una resistencia a la tracción muy alta. propiedades que lo hacen adecuado para el abuso durante largos períodos de tiempo. Se centran en comprender cómo funcionaría el tungsteno dentro de un reactor de fusión, un dispositivo que calienta átomos ligeros a temperaturas más altas que el núcleo del sol para que se fusionen y liberen energía. El gas hidrógeno en un reactor de fusión se convierte en plasma de hidrógeno (un estado de la materia que consiste en gas parcialmente ionizado) que luego queda confinado en una pequeña región mediante fuertes campos magnéticos o láseres.

"No conviene poner en el reactor algo que sólo dure un par de días", dijo Unterberg, científico investigador senior de la División de Energía de Fusión del ORNL. “Quieres tener suficiente vida útil. Colocamos tungsteno en áreas donde anticipamos que habrá un bombardeo de plasma muy intenso”.

En 2016, Unterberg y el equipo comenzaron a realizar experimentos en el tokamak, un reactor de fusión que utiliza campos magnéticos para contener un anillo de plasma, en la Instalación Nacional de Fusión DIII-D, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en San Diego. Querían saber si el tungsteno podría utilizarse para blindar la cámara de vacío del tokamak (protegiéndola de la rápida destrucción causada por los efectos del plasma) sin contaminar gravemente el propio plasma. Esta contaminación, si no se gestiona lo suficiente, podría acabar extinguiendo la reacción de fusión.

"Estábamos tratando de determinar qué áreas de la cámara serían particularmente malas: dónde es más probable que el tungsteno genere impurezas que puedan contaminar el plasma", dijo Unterberg.

Para descubrirlo, los investigadores utilizaron un isótopo enriquecido de tungsteno, W-182, junto con el isótopo no modificado, para rastrear la erosión, el transporte y la redeposición de tungsteno desde el interior del desviador. Observar el movimiento del tungsteno dentro del desviador (un área dentro de la cámara de vacío diseñada para desviar plasma e impurezas) les dio una imagen más clara de cómo se erosiona de las superficies dentro del tokamak e interactúa con el plasma. El isótopo de tungsteno enriquecido tiene las mismas propiedades físicas y químicas que el tungsteno normal. Los experimentos en DIII-D utilizaron pequeños insertos de metal recubiertos con el isótopo enriquecido colocados cerca, pero no en, la zona de mayor flujo de calor, un área en el recipiente típicamente llamada región del objetivo lejano del desviador. Por otra parte, en una región desviadora con los flujos más altos, el punto de impacto, los investigadores utilizaron insertos con el isótopo no modificado. El resto de la cámara DIII-D está blindado con grafito.

Esta configuración permitió a los investigadores recolectar muestras en sondas especiales insertadas temporalmente en la cámara para medir el flujo de impurezas hacia y desde el blindaje del recipiente, lo que podría darles una idea más precisa de dónde se había filtrado el tungsteno que se había filtrado desde el desviador hacia la cámara. originado.

"El uso del isótopo enriquecido nos dio una huella digital única", dijo Unterberg.

Fue el primer experimento de este tipo realizado en un dispositivo de fusión. Uno de los objetivos era determinar los mejores materiales y la ubicación de estos materiales para el blindaje de la cámara, manteniendo al mismo tiempo las impurezas causadas por las interacciones plasma-material contenidas en gran medida en el desviador y sin contaminar el plasma del núcleo confinado en imán utilizado para producir la fusión.

Una complicación del diseño y funcionamiento de los desviadores es la contaminación de impurezas en el plasma causada por modos localizados en el borde o ELM. Algunos de estos fenómenos rápidos y de alta energía, similares a las erupciones solares, pueden dañar o destruir componentes de la embarcación, como las placas desviadoras. La frecuencia de los ELM, las veces por segundo que ocurren estos eventos, es un indicador de la cantidad de energía liberada del plasma a la pared. Los ELM de alta frecuencia pueden liberar pequeñas cantidades de plasma por erupción, pero si los ELM son menos frecuentes, el plasma y la energía liberados por erupción son altos, con una mayor probabilidad de daño. Investigaciones recientes han buscado formas de controlar y aumentar la frecuencia de los ELM, como mediante inyección de pellets o campos magnéticos adicionales en magnitudes muy pequeñas.

El equipo de Unterberg descubrió, como esperaban, que tener el tungsteno lejos del punto de impacto de alto flujo aumentaba en gran medida la probabilidad de contaminación cuando se exponía a ELM de baja frecuencia que tienen un mayor contenido de energía y contacto superficial por evento. Además, el equipo descubrió que esta región objetivo lejana del desviador era más propensa a contaminar el SOL a pesar de que generalmente tiene flujos más bajos que el punto de impacto. Estos resultados aparentemente contradictorios están siendo confirmados por los esfuerzos en curso de modelado de desviadores en relación con este proyecto y experimentos futuros en DIII-D.

En este proyecto participó un equipo de expertos de toda América del Norte, incluidos colaboradores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton, el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, los Laboratorios Nacionales Sandia, ORNL, General Atomics, la Universidad de Auburn, la Universidad de California en San Diego, la Universidad de Toronto, la Universidad de Tennessee-Knoxville y la Universidad de Wisconsin-Madison, ya que proporcionó una herramienta importante para la investigación de la interacción plasma-material. La Oficina de Ciencias del DOE (Fusion Energy Sciences) brindó apoyo para el estudio.

El equipo publicó una investigación en línea a principios de este año en la revista.Fusión nuclear.

La investigación podría beneficiar inmediatamente al Joint European Torus, o JET, y al ITER, actualmente en construcción en Cadarache, Francia, los cuales utilizan armadura de tungsteno para el desviador.

"Pero estamos mirando cosas más allá de ITER y JET: estamos mirando a los reactores de fusión del futuro", dijo Unterberg. “¿Dónde es mejor poner tungsteno y dónde no deberías ponerlo? Nuestro objetivo final es blindar nuestros reactores de fusión, cuando lleguen, de manera inteligente”.

Unterberg dijo que el exclusivo Grupo de Isótopos Estables de ORNL, que desarrolló y probó el recubrimiento de isótopos enriquecidos antes de darle una forma útil para el experimento, hizo posible la investigación. Ese isótopo no habría estado disponible en ningún otro lugar excepto en el Centro Nacional de Desarrollo de Isótopos del ORNL, que mantiene una reserva de casi todos los elementos separados isotópicamente, dijo.

"ORNL tiene una experiencia única y deseos particulares para este tipo de investigación", dijo Unterberg. "Tenemos un largo legado en el desarrollo de isótopos y su uso en todo tipo de investigaciones en diferentes aplicaciones en todo el mundo".

Además, ORNL gestiona el ITER estadounidense.

A continuación, el equipo observará cómo la colocación de tungsteno en desviadores de formas diferentes podría afectar la contaminación del núcleo. Han teorizado que diferentes geometrías de desviador podrían minimizar los efectos de las interacciones plasma-material en el plasma central. Conocer la mejor forma para un desviador (un componente necesario para un dispositivo de plasma confinado magnéticamente) acercaría a los científicos a un reactor de plasma viable.

"Si nosotros, como sociedad, decimos que queremos que exista la energía nuclear y queremos pasar a la siguiente etapa", dijo Unterberg, "la fusión sería el santo grial".