O interior dos futuros reactores de enerxía de fusión nuclear estará entre os ambientes máis duros xamais producidos na Terra. Que é o suficientemente forte como para protexer o interior dun reactor de fusión dos fluxos de calor producidos polo plasma semellantes aos transbordadores espaciais que reentran na atmosfera terrestre?

Os investigadores da ORNL utilizaron volframio natural (amarelo) e volframio enriquecido (laranxa) para rastrexar a erosión, o transporte e a redeposición do wolframio. O volframio é a opción principal para blindar o interior dun dispositivo de fusión.

Zeke Unterberg e o seu equipo do Laboratorio Nacional de Oak Ridge do Departamento de Enerxía están a traballar actualmente co principal candidato: o volframio, que ten o punto de fusión máis alto e a menor presión de vapor de todos os metais da táboa periódica, así como unha moi alta resistencia á tracción. propiedades que o fan adecuado para soportar abusos durante longos períodos de tempo. Están enfocados en comprender como funcionaría o volframio dentro dun reactor de fusión, un dispositivo que quenta os átomos lixeiros a temperaturas máis quentes que o núcleo do sol para que se fusionen e liberen enerxía. O gas hidróxeno nun reactor de fusión convértese en plasma de hidróxeno -un estado da materia que consiste en gas parcialmente ionizado- que despois queda confinado nunha pequena rexión por fortes campos magnéticos ou láseres.

"Non queres poñer algo no teu reactor que só dure un par de días", dixo Unterberg, un científico investigador senior da División de Enerxía de Fusión da ORNL. "Queres ter unha vida suficiente. Poñemos volframio en áreas onde prevemos que haxa un bombardeo de plasma moi alto".

En 2016, Unterberg e o equipo comezaron a realizar experimentos no tokamak, un reactor de fusión que usa campos magnéticos para conter un anel de plasma, no DIII-D National Fusion Facility, unha instalación de usuarios da Oficina de Ciencia do DOE en San Diego. Querían saber se o volframio podería usarse para blindar a cámara de baleiro do tokamak, protexendoa da rápida destrución causada polos efectos do plasma, sen contaminar moito o propio plasma. Esta contaminación, se non é suficientemente xestionada, podería finalmente extinguir a reacción de fusión.

"Estabamos tentando determinar que áreas da cámara serían particularmente malas: onde o wolframio tiña máis probabilidades de xerar impurezas que poden contaminar o plasma", dixo Unterberg.

Para descubrilo, os investigadores utilizaron un isótopo enriquecido de wolframio, W-182, xunto co isótopo non modificado, para rastrexar a erosión, o transporte e a redeposición do wolframio desde dentro do desviador. Observar o movemento do wolframio dentro do desviador -unha área dentro da cámara de baleiro deseñada para desviar o plasma e as impurezas- deulles unha imaxe máis clara de como se erosiona das superficies dentro do tokamak e interactúa co plasma. O isótopo de volframio enriquecido ten as mesmas propiedades físicas e químicas que o volframio normal. Os experimentos en DIII-D utilizaron pequenas insercións metálicas recubertas co isótopo enriquecido colocadas preto da zona de fluxo de calor máis alto, pero non na zona do buque, normalmente chamada rexión de destino afastado do desviador. Por separado, nunha rexión desviadora cos fluxos máis altos, o punto de ataque, os investigadores utilizaron insercións co isótopo non modificado. O resto da cámara DIII-D está blindada con grafito.

Esta configuración permitiu aos investigadores recoller mostras en sondas especiais inseridas temporalmente na cámara para medir o fluxo de impurezas cara e desde a armadura do recipiente, o que lles podería dar unha idea máis precisa de onde tiña o volframio que se escapara do desviador á cámara. orixinado.

"Usar o isótopo enriquecido deunos unha pegada dixital única", dixo Unterberg.

Foi o primeiro experimento deste tipo realizado nun dispositivo de fusión. Un dos obxectivos era determinar os mellores materiais e localización para estes materiais para a blindaxe da cámara, mantendo as impurezas causadas polas interaccións plasma-material en gran parte contidas no desviador e non contaminando o plasma do núcleo confinado por imáns usado para producir a fusión.

Unha complicación co deseño e funcionamento dos desviadores é a contaminación de impurezas no plasma causada por modos localizados no bordo ou ELM. Algúns destes eventos rápidos e de alta enerxía, semellantes ás erupcións solares, poden danar ou destruír os compoñentes da embarcación, como as placas desviadoras. A frecuencia dos ELM, as veces por segundo que ocorren estes eventos, é un indicador da cantidade de enerxía liberada do plasma á parede. Os ELM de alta frecuencia poden liberar cantidades baixas de plasma por erupción, pero se os ELM son menos frecuentes, o plasma e a enerxía liberados por erupción son altos, cunha maior probabilidade de danos. Investigacións recentes buscaron formas de controlar e aumentar a frecuencia dos ELM, como a inxección de pellets ou campos magnéticos adicionais a magnitudes moi pequenas.

O equipo de Unterberg descubriu, como esperaban, que ter o wolframio lonxe do punto de ataque de alto fluxo aumentaba moito a probabilidade de contaminación cando se expón a ELM de baixa frecuencia que teñen maior contido enerxético e contacto superficial por evento. Ademais, o equipo descubriu que esta rexión de destino afastado desviador era máis propensa a contaminar o SOL aínda que xeralmente ten fluxos máis baixos que o punto de ataque. Estes resultados aparentemente contraintuitivos están sendo confirmados polos esforzos continuos de modelado de desviadores en relación con este proxecto e experimentos futuros sobre DIII-D.

Neste proxecto participaron un equipo de expertos de toda América do Norte, incluídos colaboradores do Laboratorio de Física do Plasma de Princeton, Lawrence Livermore National Laboratory, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, a Universidade de California en San Diego, a Universidade de Toronto, a Universidade de Tennessee-Knoxville e a Universidade de Wisconsin-Madison, xa que proporcionaban unha ferramenta importante para a investigación da interacción plasma-material. A Oficina de Ciencia do DOE (Fusion Energy Sciences) proporcionou apoio ao estudo.

O equipo publicou a investigación en liña a principios deste ano na revistaFusión Nuclear.

A investigación podería beneficiar inmediatamente ao Joint European Torus, ou JET, e ITER, agora en construción en Cadarache, Francia, que usan armaduras de tungsteno para o desviador.

"Pero estamos mirando cousas máis aló de ITER e JET, estamos mirando os reactores de fusión do futuro", dixo Unterberg. "Onde é mellor poñer wolframio e onde non hai que poñer volframio? O noso obxectivo final é blindar os nosos reactores de fusión, cando veñan, dun xeito intelixente".

Unterberg dixo que o único grupo de isótopos estables de ORNL, que desenvolveu e probou o revestimento de isótopos enriquecido antes de poñelo nunha forma útil para o experimento, fixo posible a investigación. Ese isótopo non estaría dispoñible en ningún lugar senón no Centro Nacional de Desenvolvemento de Isótopos de ORNL, que mantén un abastecemento de case todos os elementos isotópicamente separados, dixo.

"ORNL ten unha experiencia única e desexos particulares para este tipo de investigación", dixo Unterberg. "Temos un longo legado de desenvolver isótopos e utilizalos en todo tipo de investigacións en diferentes aplicacións en todo o mundo".

Ademais, ORNL xestiona US ITER.

A continuación, o equipo analizará como pode afectar á contaminación do núcleo poñer wolframio en desviadores de formas diferentes. Teorizaron que as diferentes xeometrías desviadoras poderían minimizar os efectos das interaccións plasma-material no plasma central. Coñecer a mellor forma dun desviador, un compoñente necesario para un dispositivo de plasma confinado magnéticamente, achegaría aos científicos un paso máis a un reactor de plasma viable.

"Se nós, como sociedade, dicimos que queremos que se produza a enerxía nuclear e queremos pasar á seguinte etapa", dixo Unterberg, "a fusión sería o santo grial".