Tulevien ydinfuusioenergiareaktorien sisältä tulee olemaan yksi ankarimmista maapallolla koskaan tuotetuista ympäristöistä. Mikä on tarpeeksi vahva suojaamaan fuusioreaktorin sisäosaa plasman tuottavilta lämpövirroilta, jotka muistuttavat avaruussukkuloita, jotka palaavat Maan ilmakehään?

ORNL-tutkijat käyttivät luonnollista volframia (keltainen) ja rikastettua volframia (oranssi) jäljittääkseen volframin eroosion, kuljetuksen ja uudelleenlaskeutumisen. Volframi on johtava vaihtoehto fuusiolaitteen sisäpuolen panssarointiin.

Zeke Unterberg ja hänen tiiminsä Department of Energyn Oak Ridge National Laboratoryssa työskentelevät parhaillaan johtavan ehdokkaan kanssa: volframin kanssa, jolla on korkein sulamispiste ja alhaisin höyrynpaine kaikista jaksollisen järjestelmän metalleista sekä erittäin korkea vetolujuus. ominaisuuksia, joiden ansiosta se soveltuu hyvin pitkäaikaiseen väärinkäyttöön. He keskittyvät ymmärtämään, kuinka volframi toimisi fuusioreaktorissa, laitteessa, joka lämmittää kevyitä atomeja auringon ydintä kuumempiin lämpötiloihin, jotta ne sulautuvat ja vapauttavat energiaa. Fuusioreaktorissa oleva vetykaasu muunnetaan vetyplasmaksi - ainetilaksi, joka koostuu osittain ionisoidusta kaasusta -, joka sitten rajoitetaan pienelle alueelle voimakkailla magneettikentillä tai lasereilla.

"Et halua laittaa reaktoriisi jotain, joka kestää vain muutaman päivän", sanoi Unterberg, vanhempi tutkija ORNL:n fuusioenergiaosastosta. "Haluat elää tarpeeksi. Laitamme volframia alueille, joilla odotamme olevan erittäin suuri plasmapommitus."

Vuonna 2016 Unterberg ja tiimi aloittivat kokeita tokamakissa, fuusioreaktorissa, joka käyttää magneettikenttiä plasmarenkaan sisällä, DIII-D National Fusion Facilityssä, joka on DOE:n tiedetoimiston käyttäjälaitos San Diegossa. He halusivat tietää, voitaisiinko volframia käyttää panssaroida tokamakin tyhjiökammiota – suojaamalla sitä plasman vaikutusten aiheuttamalta nopealta tuholta – ilman, että itse plasma saastuttaisi voimakkaasti. Tämä saastuminen voi lopulta sammuttaa fuusioreaktion, jos sitä ei hallita riittävästi.

"Yritimme määrittää, mitkä alueet kammiossa olisivat erityisen huonoja: missä volframi todennäköisimmin synnytti epäpuhtauksia, jotka voivat saastuttaa plasman", Unterberg sanoi.

Tämän selvittämiseksi tutkijat käyttivät volframin rikastettua isotooppia W-182 yhdessä modifioimattoman isotoopin kanssa jäljittääkseen volframin eroosion, kuljetuksen ja uudelleenkertymän diverttorin sisältä. Tarkasteltaessa volframin liikettä diverttorissa - tyhjiökammion alueella, joka on suunniteltu siirtämään plasmaa ja epäpuhtauksia - he saivat selkeämmän kuvan siitä, kuinka se erottuu tokamakin pinnoilta ja on vuorovaikutuksessa plasman kanssa. Rikastetulla volframi-isotoopilla on samat fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet kuin tavallisella volframilla. DIII-D:n kokeissa käytettiin pieniä metallisisäkkeitä, jotka oli päällystetty rikastetulla isotoopilla ja jotka asetettiin lähelle korkeinta lämpövuoaluetta, mutta ei siihen, suonen aluetta, jota tyypillisesti kutsutaan divertterin kaukokohdealueeksi. Erikseen, suurimman vuon omaavalla divertterialueella, iskupisteessä, tutkijat käyttivät inserttejä, joissa oli modifioimaton isotooppi. Loput DIII-D-kammiosta on panssaroitu grafiitilla.

Tämän järjestelyn ansiosta tutkijat pystyivät keräämään näytteitä kammioon tilapäisesti asetettuihin erikoisantureisiin mittaamaan epäpuhtauksien virtausta aluksen panssariin ja sieltä pois, mikä saattoi antaa heille tarkemman käsityksen siitä, mistä suunnasta kammioon vuotanut volframi oli. peräisin.

"Rikastetun isotoopin käyttäminen antoi meille ainutlaatuisen sormenjäljen", Unterberg sanoi.

Se oli ensimmäinen tällainen koe, joka suoritettiin fuusiolaitteella. Yksi tavoitteista oli määrittää näiden materiaalien parhaat materiaalit ja sijainti kammiopanssarointia varten pitäen samalla plasman ja materiaalin vuorovaikutuksista aiheutuvat epäpuhtaudet suurelta osin diverttorissa eivätkä saastuttaneet fuusion tuottamiseen käytettyä magneetilla rajoitettua ydinplasmaa.

Yksi monimutkaisuus diverttorien suunnittelussa ja toiminnassa on plasman epäpuhtauksien kontaminaatio, jonka aiheuttavat reuna-lokalisoidut moodit eli ELM:t. Jotkut näistä nopeista, paljon energiaa kuluttavista tapahtumista, jotka muistuttavat auringonpurkausta, voivat vahingoittaa tai tuhota aluksen osia, kuten taittolevyjä. ELM:ien taajuus, näiden tapahtumien esiintymisajat sekunnissa, on indikaattori plasmasta seinään vapautuvan energian määrästä. Korkeataajuiset ELM:t voivat vapauttaa pieniä määriä plasmaa purkausta kohti, mutta jos ELM:t ovat harvempia, purkausta kohti vapautuva plasma ja energia ovat korkeat ja vaurioiden todennäköisyys on suurempi. Viimeaikaisessa tutkimuksessa on tarkasteltu tapoja hallita ja lisätä ELM:ien taajuutta, kuten pellettiruiskutuksella tai lisämagneettikentillä erittäin pienillä suuruuksilla.

Unterbergin tiimi havaitsi odotetusti, että volframin pitäminen kaukana korkean virtauksen iskupisteestä lisäsi huomattavasti saastumisen todennäköisyyttä altistuessaan matalataajuisille ELM:ille, joilla on korkeampi energiasisältö ja pintakosketus tapahtumakohtaisesti. Lisäksi tiimi havaitsi, että tämä kaukokohdealue oli alttiimpi SOL:n saastumiselle, vaikka sillä on yleensä alhaisemmat vuot kuin iskeytymispisteessä. Nämä näennäisesti ristiriidassa olevat tulokset vahvistuvat jatkuvalla divertor-mallinnustoiminnalla, joka liittyy tähän projektiin ja tuleviin DIII-D-kokeisiin.

Tähän projektiin osallistui asiantuntijatiimi kaikkialta Pohjois-Amerikasta, mukaan lukien yhteistyökumppanit Princeton Plasma Physics Laboratorysta, Lawrence Livermore National Laboratorysta, Sandia National Laboratoriesista, ORNL:stä, General Atomicsista, Auburn Universitystä, Kalifornian yliopistosta San Diegosta, Toronton yliopistosta, Tennessee-Knoxville-yliopisto ja Wisconsin-Madisonin yliopisto, koska se tarjosi merkittävän työkalun plasman ja materiaalin vuorovaikutuksen tutkimukseen. DOE:n tiedetoimisto (Fusion Energy Sciences) tuki tutkimusta.

Ryhmä julkaisi tutkimuksen verkossa aiemmin tänä vuonna lehdessäYdinfuusio.

Tutkimus voisi välittömästi hyödyttää Joint European Torusta eli JET:tä ja ITERiä, jotka ovat parhaillaan rakenteilla Cadarachessa, Ranskassa, jotka molemmat käyttävät volframipanssaria diverttorina.

"Mutta katsomme asioita ITERin ja JETin ulkopuolella – katsomme tulevaisuuden fuusioreaktoreita", Unterberg sanoi. "Mihin on parasta laittaa volframia, ja minne ei saa laittaa volframia? Lopullinen tavoitteemme on panssaroida fuusioreaktorimme älykkäällä tavalla, kun ne tulevat."

Unterberg sanoi, että ORNL:n ainutlaatuinen Stable Isotopes Group, joka kehitti ja testasi rikastetun isotooppipinnoitteen ennen sen laittamista kokeessa hyödylliseen muotoon, mahdollisti tutkimuksen. Tätä isotooppia ei olisi ollut saatavilla missään muualla kuin ORNL:n kansallisesta isotooppikehityskeskuksesta, joka ylläpitää varastoa lähes kaikista isotooppisesti erotetuista alkuaineista, hän sanoi.

"ORNL:llä on ainutlaatuista asiantuntemusta ja erityisiä toiveita tämäntyyppiseen tutkimukseen", Unterberg sanoi. "Meillä on pitkä perintö isotooppien kehittämisestä ja niiden käytöstä kaikenlaisessa tutkimuksessa eri sovelluksissa ympäri maailmaa."

Lisäksi ORNL hallinnoi US ITERiä.

Seuraavaksi tiimi tarkastelee, kuinka volframin laittaminen erimuotoisiin muuntimiin voi vaikuttaa ytimen kontaminaatioon. He ovat teoriassa väittäneet, että erilaiset divertterigeometriat voisivat minimoida plasman ja materiaalin välisten vuorovaikutusten vaikutukset ydinplasmaan. Divertterin parhaan muodon tunteminen – välttämätön komponentti magneettisuljetussa plasmalaitteessa – auttaisi tutkijat askeleen lähemmäksi toimivaa plasmareaktoria.

"Jos me yhteiskunnana sanomme, että haluamme ydinenergian tapahtuvan ja haluamme siirtyä seuraavaan vaiheeseen", Unterberg sanoi, "fuusio olisi pyhä malja."