De binnenkant fan takomstige kearnfúzje-enerzjyreaktors sil ûnder de hurdste omjouwings wêze dy't ea op ierde produsearre binne. Wat is sterk genôch om de binnenkant fan in fúzjereaktor te beskermjen tsjin plasma-produsearre waarmtefloeden, besibbe oan romteferfier dy't de sfear fan 'e ierde wer yngeane?

ORNL-ûndersikers brûkten natuerlik wolfraam (giel) en ferrike wolfraam (oranje) om de eroazje, ferfier en weryndieling fan wolfraam te spoaren. Wolfram is de liedende opsje om de binnenkant fan in fúzje-apparaat te pânserjen.

Zeke Unterberg en syn team by it Oak Ridge National Laboratory fan 'e Department of Energy wurkje op it stuit mei de liedende kandidaat: wolfraam, dat it heechste rânpunt en leechste dampdruk hat fan alle metalen op it periodyk systeem, lykas ek in heul hege treksterkte - eigenskippen dy't it goed geskikt meitsje om foar lange perioaden misbrûk te nimmen. Se binne rjochte op it begripen fan hoe't wolfraam soe wurkje yn in fúzjereaktor, in apparaat dat ljochtatomen ferwaarmt oant temperatueren waarmer as de kearn fan 'e sinne, sadat se fusearje en enerzjy frijlitte. Wetterstofgas yn in fúzjereaktor wurdt omset yn wetterstofplasma - in tastân fan matearje dy't bestiet út foar in part ionisearre gas - dat dan yn in lyts gebiet beheind wurdt troch sterke magnetyske fjilden of lasers.

"Jo wolle net wat yn jo reaktor pleatse dat mar in pear dagen duorret," sei Unterberg, in senior ûndersykswittenskipper yn ORNL's Fusion Energy Division. "Jo wolle genôch libben hawwe. Wy sette wolfraam yn gebieten wêr't wy ferwachtsje dat der in heul hege plasmabombardemint sil wêze.

Yn 2016 begon Unterberg en it team eksperiminten út te fieren yn 'e tokamak, in fúzjereaktor dy't magnetyske fjilden brûkt om in ring fan plasma te befetsjen, by de DIII-D National Fusion Facility, in DOE Office of Science brûkersfoarsjenning yn San Diego. Se woene witte oft wolfraam brûkt wurde koe om de fakuümkeamer fan 'e tokamak te bepânseren - it beskermjen fan rappe ferneatiging feroarsake troch de effekten fan plasma - sûnder it plasma sels swier te fersmoarjen. Dizze fersmoarging, as net genôch beheard, koe úteinlik de fúzjereaksje útsette.

"Wy besochten te bepalen hokker gebieten yn 'e keamer benammen min wêze soene: wêr't de wolfraam it meast wierskynlik ûnreinheden genereart dy't it plasma kinne kontaminearje," sei Unterberg.

Om dat te finen, brûkten de ûndersikers in ferrike isotoop fan wolfraam, W-182, tegearre mei de net wizige isotoop, om de eroazje, ferfier en weryndieling fan wolfraam fan binnen de divertor te spoaren. Sjoch nei de beweging fan wolfraam binnen de divertor - in gebiet yn 'e fakuümkeamer ûntworpen om plasma en ûnreinheden te fertsjinjen - joech har in dúdliker byld fan hoe't it erodearret fan oerflakken binnen de tokamak en ynteraksje mei it plasma. De ferrike wolfraam isotoop hat deselde fysike en gemyske eigenskippen as gewoane wolfraam. De eksperiminten by DIII-D brûkten lytse metalen ynserts bedekt mei de ferrike isotoop pleatst tichtby, mar net by, de heechste waarmtefluxsône, in gebiet yn it skip dat typysk de divertor fier-target regio neamd wurdt. Apart, by in divertorregio mei de heechste fluxen, it strike-point, brûkten ûndersikers ynserts mei de net wizige isotoop. De rest fan de DIII-D keamer is pânsere mei grafyt.

Dizze opset koe de ûndersikers samples sammelje op spesjale sondes dy't tydlik yn 'e keamer ynfoege binne foar it mjitten fan ûnreinensstream nei en fan' e skippânser, wat har in krekter idee jaan koe fan wêr't de wolfraam dy't fan 'e divertor yn' e keamer lekt hie ûntstien.

"It brûken fan de ferrike isotoop joech ús in unike fingerprint," sei Unterberg.

It wie it earste sa'n eksperimint útfierd yn in fúzje-apparaat. Ien doel wie om te bepalen de bêste materialen en lokaasje foar dizze materialen foar keamer pânser, wylst hâlden ûnreinheden feroarsake troch plasma-materiaal ynteraksjes foar in grut part befette oan de divertor en net fersmoargje de magneet-beheinde kearn plasma brûkt om produsearje fúzje.

Ien komplikaasje mei it ûntwerp en wurking fan divertors is ûnreinensfersmoarging yn it plasma feroarsake troch râne-lokalisearre modi, of ELM's. Guon fan dizze rappe, hege-enerzjy-eveneminten, besibbe oan sinneflaters, kinne skipkomponinten beskeadigje of ferneatigje, lykas divertorplaten. De frekwinsje fan 'e ELM's, de kearen per sekonde dy't dizze eveneminten foarkomme, is in yndikator fan 'e hoemannichte enerzjy dy't út it plasma nei de muorre frijlitten wurdt. Heechfrekwinsje ELM's kinne lege hoemannichten plasma per útbarsting frijlitte, mar as de ELM's minder faak binne, is it plasma en enerzjy frijjûn per útbarsting heech, mei in gruttere kâns op skea. Resint ûndersyk hat sjoen nei manieren om de frekwinsje fan ELM's te kontrolearjen en te fergrutsjen, lykas mei pellet-ynjeksje of ekstra magnetyske fjilden op heul lytse magnituden.

It team fan Unterberg fûn, lykas se ferwachte, dat it hawwen fan wolfraam fier fan 'e hege-flux strike-point de kâns op fersmoarging sterk fergrutte by bleatstelling oan leechfrekwinsje ELM's dy't hegere enerzjyynhâld en oerflakkontakt hawwe per evenemint. Derneist fûn it team dat dizze divertor fier-target-regio mear gefoelich wie foar fersmoarging fan 'e SOL, ek al hat it oer it algemien legere fluxen dan it strike-point. Dizze skynber tsjin-yntuïtive resultaten wurde befêstige troch oanhâldende ynspanningen foar divertormodellering yn relaasje ta dit projekt en takomstige eksperiminten op DIII-D.

Dit projekt belutsen in team fan saakkundigen út hiel Noard-Amearika, ynklusyf kollaborateurs fan Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, de Universiteit fan Kalifornje yn San Diego, de Universiteit fan Toronto, de Universiteit fan Tennessee-Knoxville, en de Universiteit fan Wisconsin-Madison, om't it in wichtich ark levere foar ûndersyk nei plasma-materiaal ynteraksje. DOE's Office of Science (Fusion Energy Sciences) joech stipe foar de stúdzje.

It team publisearre earder dit jier ûndersyk online yn it tydskriftNukleêre fúzje.

It ûndersyk kin fuortendaliks profitearje fan de Joint European Torus, of JET, en ITER, no yn oanbou yn Cadarache, Frankryk, dy't beide wolfraampânser brûke foar de divertor.

"Mar wy sjogge nei dingen bûten ITER en JET - wy sjogge nei de fúzjereaktors fan 'e takomst," sei Unterberg. "Wêr is it bêste om wolfraam te pleatsen, en wêr moatte jo wolfraam net sette? Us úteinlike doel is om ús fúzjereaktors, as se komme, op in tûke manier te bepantseren.

Unterberg sei dat ORNL's unike Stable Isotopes Group, dy't de ferrike isotopen-coating ûntwikkele en testen foardat it yn in foarm brûkte foar it eksperimint, makke it ûndersyk mooglik. Dat isotoop soe net oeral beskikber west hawwe, mar fan it Nasjonaal Isotoopûntwikkelingssintrum by ORNL, dat in foarried byhâldt fan hast alle elemint isotopysk skieden, sei er.

"ORNL hat unike saakkundigens en bysûndere winsken foar dit soarte fan ûndersyk," sei Unterberg. "Wy hawwe in lange erfenis fan it ûntwikkeljen fan isotopen en it brûken fan dy yn alle soarten ûndersyk yn ferskate applikaasjes om 'e wrâld."

Derneist beheart ORNL US ITER.

Folgjende sil it team sjen hoe't it pleatsen fan wolfraam yn oarsfoarmige divertors kin ynfloed hawwe op fersmoarging fan 'e kearn. Ferskillende divertorgeometryen koene de effekten fan plasma-materiaal ynteraksjes op it kearnplasma minimalisearje, hawwe se teoretisearre. It witten fan 'e bêste foarm foar in divertor - in needsaaklike komponint foar in magnetysk-beheinde plasma-apparaat - soe wittenskippers ien stap tichterby in libbensfetbere plasmareaktor sette.

"As wy, as maatskippij, sizze dat wy wolle dat kearnenerzjy bart, en wy wolle oergean nei de folgjende poadium," sei Unterberg, "sou fúzje de hillige graal wêze."