Tulevaste termotuumasünteesi reaktorite sisemus on üks karmimaid keskkondi, mis Maal eales toodetud. Mis on piisavalt tugev, et kaitsta termotuumasünteesi reaktorit plasmast toodetud soojusvoogude eest, mis sarnanevad Maa atmosfääri taassisenevate kosmosesüstikutega?

ORNL-i teadlased kasutasid naturaalset volframi (kollane) ja rikastatud volframi (oranž), et jälgida volframi erosiooni, transporti ja ladestumist. Volfram on termotuumasünteesiseadme sisemuse turvistamiseks juhtiv variant.

Zeke Unterberg ja tema meeskond energeetikaosakonna Oak Ridge'i riiklikus laboris töötavad praegu juhtiva kandidaadiga: volframiga, millel on perioodilisuse tabeli kõigist metallidest kõrgeim sulamistemperatuur ja madalaim aururõhk, samuti väga kõrge tõmbetugevus. omadused, mis muudavad selle hästi sobivaks pikaajaliseks kuritarvitamiseks. Nad on keskendunud mõistmisele, kuidas volfram töötaks termotuumasünteesireaktoris – seadmes, mis soojendab kergeid aatomeid päikese tuumast kõrgema temperatuurini, nii et need sulanduvad ja vabastavad energiat. Vesinikgaas muundatakse termotuumasünteesireaktoris vesinikplasmaks – aineolekuks, mis koosneb osaliselt ioniseeritud gaasist –, mis seejärel piiratakse väikeses piirkonnas tugevate magnetväljade või laseritega.

"Te ei taha oma reaktorisse panna midagi, mis kestab vaid paar päeva," ütles Unterberg, ORNLi termotuumasünteesi osakonna vanemteadur. "Sa tahad, et teil oleks piisavalt eluiga. Panime volframi piirkondadesse, kus eeldame, et plasma pommitamine on väga suur.

2016. aastal alustasid Unterberg ja meeskond katseid tokamakiga, termotuumasünteesireaktoriga, mis kasutab plasmarõnga hoidmiseks magnetvälju, DIII-D riiklikus termotuumasünteesi rajatises, mis on DOE teadusbüroo San Diegos. Nad tahtsid teada, kas volframi saab kasutada tokamaki vaakumkambri turmitamiseks – kaitstes seda plasma mõjudest põhjustatud kiire hävimise eest – ilma plasmat ennast tugevalt saastamata. Kui seda saastumist piisavalt ei hallata, võib see termotuumasünteesi reaktsiooni lõpuks kustutada.

"Püüdsime kindlaks teha, millised alad kambris oleksid eriti halvad: kus volfram tekitas kõige tõenäolisemalt lisandeid, mis võivad plasmat saastada," ütles Unterberg.

Selle leidmiseks kasutasid teadlased volframi rikastatud isotoopi W-182 koos modifitseerimata isotoobiga, et jälgida volframi erosiooni, transporti ja ümberladestumist divertori seest. Vaadates volframi liikumist diverteris - plasma ja lisandite suunamiseks mõeldud ala vaakumkambris - andis neile selgema pildi sellest, kuidas see tokamaki pindadelt erodeerub ja plasmaga suhtleb. Rikastatud volframi isotoobil on samad füüsikalised ja keemilised omadused kui tavalisel volframil. Katsetes DIII-D kasutati rikastatud isotoobiga kaetud väikeseid metallist sisestusi, mis asetati kõrgeima soojusvoo tsooni lähedale, kuid mitte sellesse, anuma piirkonda, mida tavaliselt nimetatakse suunaja kaugemaks sihtpiirkonnaks. Eraldi kasutasid teadlased suurima vooga divertori piirkonnas, löögipunktis, modifitseerimata isotoobiga inserte. Ülejäänud osa DIII-D kambrist on soomustatud grafiidiga.

See seadistus võimaldas teadlastel koguda proove spetsiaalsete sondide abil, mis olid ajutiselt kambrisse sisestatud, et mõõta lisandite voolu anumasoomusele ja sealt välja. See andis neile täpsema ettekujutuse, kus oli suunajast kambrisse lekkinud volfram. tekkinud.

"Rikastatud isotoobi kasutamine andis meile ainulaadse sõrmejälje," ütles Unterberg.

See oli esimene selline katse, mis viidi läbi termotuumasünteesiseadmes. Üks eesmärk oli määrata nende materjalide jaoks parimad materjalid ja asukoht kambri turvise jaoks, hoides samal ajal plasma-materjali interaktsioonidest põhjustatud lisandeid suures osas divertoris ega saastaks tuumasünteesi tootmiseks kasutatavat magnetiga piiratud tuumaplasmat.

Divertorite konstruktsiooni ja toimimise üks tüsistus on plasmas esinev lisandite saastumine, mis on põhjustatud servalokaliseeritud režiimidest ehk ELM-idest. Mõned neist kiiretest ja suure energiatarbega sündmustest, mis on sarnased päikesepõletustega, võivad kahjustada või hävitada laevade komponente, näiteks divertori plaate. ELM-ide sagedus, nende sündmuste toimumisajad sekundis on plasmast seinale vabaneva energia hulga näitaja. Kõrgsageduslikud ELM-id võivad purske kohta vabastada väikeses koguses plasmat, kuid kui ELM-id on harvemad, on purske kohta vabanev plasma ja energia kõrge ning kahjustuste tõenäosus on suurem. Hiljutised uuringud on vaadelnud viise, kuidas kontrollida ja suurendada ELM-ide sagedust, näiteks graanulite süstimine või täiendavad magnetväljad väga väikese suurusega.

Unterbergi töörühm leidis ootuspäraselt, et kui volfram oli kõrge voolu löögipunktist kaugel, suurendas oluliselt saastumise tõenäosust, kui see puutub kokku madala sagedusega ELM-idega, millel on suurem energiasisaldus ja pinnakontakt sündmuse kohta. Lisaks leidis meeskond, et see suunaja kauge sihtpiirkond oli SOL-i saastumise suhtes altid, kuigi selle voog on üldiselt väiksem kui löögipunktil. Neid näiliselt vastupidiseid tulemusi kinnitavad käimasolevad divertori modelleerimise jõupingutused seoses selle projektiga ja tulevased katsed DIII-D-ga.

Selles projektis osales ekspertide meeskond kogu Põhja-Ameerikast, sealhulgas kaastöötajad Princetoni plasmafüüsika laborist, Lawrence Livermore'i riiklikust laborist, Sandia National Laboratories'ist, ORNL-ist, General Atomicsist, Auburni ülikoolist, California ülikoolist San Diegost, Toronto ülikoolist, Tennessee-Knoxville'i ülikoolis ja Wisconsini-Madisoni ülikoolis, kuna see oli oluline vahend plasma ja materjali interaktsiooni uurimiseks. DOE teadusbüroo (Fusion Energy Sciences) toetas uuringut.

Meeskond avaldas selle aasta alguses ajakirjas Internetis uuringuTuumasüntees.

Uurimistöö võiks kohe kasu saada Joint European Torus’ile ehk JETile ja ITERile, mida praegu ehitatakse Prantsusmaal Cadarache’is, mis mõlemad kasutavad suunaja jaoks volframsoomust.

"Kuid me vaatame asju väljaspool ITERi ja JET-i – me vaatame tuleviku termotuumasünteesi reaktoreid," ütles Unterberg. “Kuhu on kõige parem volframit panna ja kuhu mitte panna? Meie lõppeesmärk on oma termotuumasünteesi reaktoreid targalt turgutada, kui need tulevad.

Unterberg ütles, et uurimistöö tegi võimalikuks ORNL-i ainulaadne stabiilsete isotoopide rühm, mis töötas välja ja testis rikastatud isotoopkatte enne katse jaoks kasulikku vormi. Ta ütles, et see isotoop poleks olnud saadaval mujal kui ORNL-i riiklikus isotoopide arenduskeskuses, mis säilitab peaaegu kõigi isotoopselt eraldatud elementide varu.

"ORNL-il on seda tüüpi uuringute jaoks ainulaadsed teadmised ja erilised soovid, " ütles Unterberg. "Meil on pikk pärand isotoopide väljatöötamisest ja nende kasutamisest igasugustes uuringutes erinevates rakendustes üle maailma."

Lisaks haldab ORNL USA ITERit.

Järgmisena uurib meeskond, kuidas volframi panemine erineva kujuga divertoritesse võib mõjutada südamiku saastumist. Nad on teoreetiliselt väitnud, et erinevad divertori geomeetriad võivad minimeerida plasma-materjali interaktsioonide mõju tuumaplasmale. Divertori – magnetiliselt suletud plasmaseadme vajaliku komponendi – parima kuju tundmine viiks teadlased elujõulisele plasmareaktorile sammukese lähemale.

"Kui me ühiskonnana ütleme, et tahame tuumaenergiat ja tahame liikuda järgmisse etappi," ütles Unterberg, "oleks tuumasünteesi püha graal."