درون رآکتورهای انرژی همجوشی هسته‌ای آینده جزو خشن‌ترین محیط‌هایی خواهد بود که تا به حال روی زمین تولید شده است. چه چیزی به اندازه کافی قوی است که از داخل یک راکتور همجوشی در برابر شارهای حرارتی تولید شده توسط پلاسما مشابه شاتل های فضایی که دوباره وارد جو زمین می شوند محافظت کند؟

محققان ORNL از تنگستن طبیعی (زرد) و تنگستن غنی شده (نارنجی) برای ردیابی فرسایش، انتقال و رسوب مجدد تنگستن استفاده کردند. تنگستن گزینه پیشرو برای زره ​​پوش کردن داخل دستگاه همجوشی است.

زیک اونتربرگ و تیمش در آزمایشگاه ملی اوک ریج وزارت انرژی در حال حاضر با نامزد اصلی کار می کنند: تنگستن که بالاترین نقطه ذوب و کمترین فشار بخار را در بین تمام فلزات جدول تناوبی و همچنین استحکام کششی بسیار بالایی دارد. خواصی که آن را برای استفاده طولانی مدت مناسب می کند. آنها بر درک چگونگی عملکرد تنگستن در یک راکتور همجوشی متمرکز شده‌اند، دستگاهی که اتم‌های سبک را تا دمایی گرم‌تر از هسته خورشید گرم می‌کند تا آنها ذوب شده و انرژی آزاد کنند. گاز هیدروژن در یک راکتور همجوشی به پلاسمای هیدروژن تبدیل می شود - حالتی از ماده که از گاز نیمه یونیزه شده تشکیل شده است - که سپس توسط میدان های مغناطیسی قوی یا لیزرها در یک منطقه کوچک محدود می شود.

آنتربرگ، دانشمند تحقیقاتی ارشد در بخش انرژی همجوشی ORNL، گفت: "شما نمی خواهید چیزی را در راکتور خود قرار دهید که فقط چند روز دوام می آورد." "شما می خواهید عمر کافی داشته باشید. ما تنگستن را در مناطقی قرار می‌دهیم که پیش‌بینی می‌کنیم بمباران پلاسمایی بسیار بالا خواهد بود.»

در سال 2016، آنتربرگ و تیم آزمایشی را در توکاماک، یک راکتور همجوشی که از میدان های مغناطیسی برای محتوی حلقه ای از پلاسما استفاده می کند، در تأسیسات همجوشی ملی DIII-D، یک مرکز کاربری دفتر علوم DOE در سن دیگو، آغاز کردند. آنها می خواستند بدانند که آیا می توان از تنگستن برای زره ​​پوش کردن محفظه خلاء توکامک استفاده کرد - محافظت از آن در برابر تخریب سریع ناشی از اثرات پلاسما - بدون اینکه به شدت خود پلاسما را آلوده کند. این آلودگی، اگر به اندازه کافی مدیریت نشود، می تواند در نهایت واکنش همجوشی را خاموش کند.

آنتربرگ گفت: "ما در تلاش بودیم تا مشخص کنیم که چه مناطقی در محفظه بد هستند: جایی که تنگستن به احتمال زیاد ناخالصی هایی را تولید می کند که می تواند پلاسما را آلوده کند."

برای یافتن آن، محققان از ایزوتوپ غنی شده تنگستن، W-182، همراه با ایزوتوپ اصلاح نشده، برای ردیابی فرسایش، انتقال و رسوب مجدد تنگستن از درون دیورتور استفاده کردند. با نگاهی به حرکت تنگستن در دایورتور - ناحیه ای در داخل محفظه خلاء که برای منحرف کردن پلاسما و ناخالصی ها طراحی شده است - تصویر واضح تری از نحوه فرسایش آن از سطوح داخل توکامک و تعامل با پلاسما به آنها داد. ایزوتوپ تنگستن غنی شده دارای همان خواص فیزیکی و شیمیایی تنگستن معمولی است. آزمایش‌ها در DIII-D از درج‌های فلزی کوچک پوشیده شده با ایزوتوپ غنی‌شده استفاده کردند که نزدیک به بالاترین منطقه شار گرما، اما نه در آن، منطقه‌ای در کشتی که معمولاً منطقه هدف دور انحراف‌کننده نامیده می‌شود، قرار گرفته است. به طور جداگانه، در یک منطقه انحرافی با بالاترین شار، نقطه ضربه، محققان از درج هایی با ایزوتوپ اصلاح نشده استفاده کردند. باقیمانده محفظه DIII-D با گرافیت زره پوش شده است.

این تنظیم به محققان اجازه می‌دهد تا نمونه‌هایی را روی کاوشگرهای ویژه‌ای که به‌طور موقت در محفظه برای اندازه‌گیری جریان ناخالصی به و از زره کشتی تعبیه شده بود جمع‌آوری کنند، که می‌تواند به آنها ایده دقیق‌تری از محل نشت تنگستن از دیورتور به داخل محفظه بدهد. سرچشمه گرفته است.

آنتربرگ گفت: «استفاده از ایزوتوپ غنی شده اثر انگشت منحصر به فردی به ما داد.

این اولین آزمایشی بود که در دستگاه همجوشی انجام شد. یکی از اهداف تعیین بهترین مواد و مکان برای این مواد برای زره ​​پوش محفظه بود، در حالی که ناخالصی های ناشی از فعل و انفعالات پلاسما-مواد عمدتاً در دایورتور وجود داشت و پلاسمای هسته محصور شده با آهنربا که برای تولید همجوشی استفاده می شد را آلوده نمی کرد.

یکی از عارضه‌های طراحی و عملکرد دیورتورها آلودگی ناخالصی در پلاسما ناشی از حالت‌های موضعی لبه یا ELM است. برخی از این رویدادهای سریع و پرانرژی، شبیه به شعله های خورشیدی، می توانند به اجزای کشتی مانند صفحات دیورتور آسیب بزنند یا از بین ببرند. فرکانس ELMها، دفعات وقوع این رویدادها در هر ثانیه، نشانگر میزان انرژی آزاد شده از پلاسما به دیوار است. ELM های فرکانس بالا می توانند مقادیر کم پلاسما را در هر فوران آزاد کنند، اما اگر ELM ها کمتر باشند، پلاسما و انرژی آزاد شده در هر فوران زیاد است، با احتمال آسیب بیشتر. تحقیقات اخیر به روش هایی برای کنترل و افزایش فرکانس ELM ها، مانند تزریق گلوله یا میدان های مغناطیسی اضافی در بزرگی های بسیار کوچک، پرداخته است.

تیم آنتربرگ، همانطور که انتظار داشتند، دریافتند که دور بودن تنگستن از نقطه برخورد با شار بالا، احتمال آلودگی را در مواجهه با ELM های فرکانس پایین که محتوای انرژی و تماس سطحی بالاتری در هر رویداد دارند، به شدت افزایش می دهد. به‌علاوه، تیم دریافت که این منطقه هدف دوردست، بیشتر مستعد آلودگی SOL است، حتی اگر به طور کلی شار کمتری نسبت به نقطه ضربه داشته باشد. این نتایج به‌ظاهر خلاف واقع با تلاش‌های مدل‌سازی دایورتور در رابطه با این پروژه و آزمایش‌های آینده روی DIII-D تأیید می‌شوند.

این پروژه شامل تیمی از کارشناسان از سراسر آمریکای شمالی، از جمله همکارانی از آزمایشگاه فیزیک پلاسما پرینستون، آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور، آزمایشگاه ملی ساندیا، ORNL، جنرال اتمیکس، دانشگاه آبرن، دانشگاه کالیفرنیا در سن دیگو، دانشگاه تورنتو، دانشگاه تنسی - ناکسویل و دانشگاه ویسکانسین - مدیسون، زیرا ابزار مهمی برای تحقیق برهمکنش پلاسما-مواد دفتر علوم DOE (Fusion Energy Sciences) از این مطالعه پشتیبانی کرد.

این تیم تحقیقاتی را به صورت آنلاین در اوایل سال جاری در مجله منتشر کردهمجوشی هسته ای.

این تحقیقات می‌تواند فوراً به نفع Joint European Torus یا JET و ITER باشد که اکنون در Cadarache، فرانسه در حال ساخت هستند، که هر دو از زره تنگستن برای انحراف استفاده می‌کنند.

آنتربرگ گفت: "اما ما به چیزهایی فراتر از ITER و JET نگاه می کنیم - ما به راکتورهای همجوشی آینده نگاه می کنیم." «در کجا تنگستن قرار دادن بهتر است و کجا نباید تنگستن قرار داد؟ هدف نهایی ما این است که راکتورهای همجوشی خود را به روشی هوشمندانه زره کنیم.»

Unterberg گفت که گروه منحصر به فرد ایزوتوپ های پایدار ORNL که پوشش ایزوتوپ غنی شده را قبل از قرار دادن آن به شکل مفید برای آزمایش توسعه و آزمایش کرد، این تحقیق را امکان پذیر کرد. او گفت که این ایزوتوپ در هیچ جایی به جز مرکز ملی توسعه ایزوتوپ در ORNL که ذخیره ای از تقریباً هر عنصری را که به صورت ایزوتوپی جدا شده نگهداری می کند، در دسترس نبود.

Unterberg گفت: "ORNL دارای تخصص منحصر به فرد و تمایلات خاصی برای این نوع تحقیقات است." ما میراث طولانی در توسعه ایزوتوپ ها و استفاده از آنها در انواع تحقیقات در برنامه های مختلف در سراسر جهان داریم.

علاوه بر این، ORNL ITER ایالات متحده را مدیریت می کند.

در مرحله بعد، تیم بررسی خواهد کرد که چگونه قرار دادن تنگستن در دایورتورهایی با شکل های متفاوت ممکن است بر آلودگی هسته تأثیر بگذارد. آنها نظریه پردازی کرده اند که هندسه های انحرافی مختلف می توانند اثرات برهمکنش های پلاسما-مواد را بر پلاسمای هسته به حداقل برسانند. دانستن بهترین شکل برای دیورتور - یک جزء ضروری برای یک دستگاه پلاسمای محصور شده با مغناطیسی - دانشمندان را یک قدم به یک راکتور پلاسمای قابل دوام نزدیک‌تر می‌کند.

آنتربرگ گفت: «اگر ما به عنوان یک جامعه بگوییم که می‌خواهیم انرژی هسته‌ای اتفاق بیفتد و می‌خواهیم به مرحله بعدی برویم، همجوشی جام مقدس خواهد بود.»