Unutrašnjost budućih energetskih reaktora za nuklearnu fuziju bit će među najsurovijim okruženjima ikada proizvedenim na Zemlji. Što je dovoljno snažno da zaštiti unutrašnjost fuzijskog reaktora od plazmom proizvedenih toplinskih tokova sličnih svemirskim šatlovima koji ponovno ulaze u Zemljinu atmosferu?

Istraživači ORNL-a koristili su prirodni volfram (žuto) i obogaćeni volfram (narančasto) kako bi pratili eroziju, transport i ponovno taloženje volframa. Volfram je vodeća opcija za oklop unutrašnjosti fuzijskog uređaja.

Zeke Unterberg i njegov tim u Nacionalnom laboratoriju Oak Ridge Ministarstva energetike trenutno rade s vodećim kandidatom: volframom, koji ima najvišu točku taljenja i najniži tlak pare od svih metala u periodnom sustavu, kao i vrlo visoku vlačnu čvrstoću— svojstva koja ga čine pogodnim za dugotrajno zlostavljanje. Usredotočeni su na razumijevanje kako bi volfram funkcionirao unutar fuzijskog reaktora, uređaja koji zagrijava lagane atome na temperaturu višu od temperature sunčeve jezgre, tako da se stapaju i oslobađaju energiju. Plinoviti vodik u fuzionom reaktoru pretvara se u vodikovu plazmu - agregatno stanje koje se sastoji od djelomično ioniziranog plina - koje se zatim zadržava u malom području jakim magnetskim poljima ili laserima.

“Ne želite staviti nešto u svoj reaktor što traje samo nekoliko dana,” rekao je Unterberg, viši znanstvenik u ORNL-ovom Odjelu za fuzijsku energiju. “Želite imati dovoljan životni vijek. Stavili smo volfram u područja za koja predviđamo da će biti vrlo snažno bombardiranje plazmom.”

Godine 2016. Unterberg i tim započeli su s provođenjem eksperimenata u tokamaku, fuzionom reaktoru koji koristi magnetska polja za zadržavanje prstena plazme, u DIII-D National Fusion Facility, korisničkoj ustanovi DOE Ureda za znanost u San Diegu. Htjeli su znati može li se volfram koristiti za oklop vakuumske komore tokamaka—štiteći je od brzog uništenja izazvanog učincima plazme—a da se sama plazma ne zagadi. Ovo onečišćenje, ako se njime ne upravlja dovoljno, moglo bi u konačnici ugasiti reakciju fuzije.

"Pokušavali smo utvrditi koja bi područja u komori bila posebno loša: gdje bi volfram najvjerojatnije stvarao nečistoće koje mogu kontaminirati plazmu", rekao je Unterberg.

Kako bi to otkrili, istraživači su upotrijebili obogaćeni izotop volframa, W-182, zajedno s nemodificiranim izotopom, kako bi pratili eroziju, transport i ponovno taloženje volframa iz divertora. Promatranje kretanja volframa unutar divertora - područja unutar vakuumske komore dizajniranog za preusmjeravanje plazme i nečistoća - dalo im je jasniju sliku o tome kako on erodira s površina unutar tokamaka i stupa u interakciju s plazmom. Obogaćeni izotop volframa ima ista fizikalna i kemijska svojstva kao obični volfram. Eksperimenti na DIII-D koristili su male metalne umetke obložene obogaćenim izotopom postavljene blizu, ali ne u zoni najvećeg toplinskog toka, području u posudi koje se tipično naziva divertor daleko-target region. Zasebno, u divertorskoj regiji s najvećim fluksevima, udarnoj točki, istraživači su koristili umetke s nemodificiranim izotopom. Ostatak DIII-D komore oklopljen je grafitom.

Ova postavka omogućila je istraživačima prikupljanje uzoraka na posebnim sondama privremeno umetnutim u komoru za mjerenje protoka nečistoća u i iz oklopa posude, što bi im moglo dati precizniju ideju o tome gdje je volfram koji je iscurio iz divertora u komoru nastao.

"Korištenje obogaćenog izotopa dalo nam je jedinstveni otisak prsta", rekao je Unterberg.

Bio je to prvi takav eksperiment proveden u fuzijskoj napravi. Jedan od ciljeva bio je odrediti najbolje materijale i mjesto za te materijale za armiranje komore, a pritom zadržati nečistoće uzrokovane interakcijama plazma-materijal u velikoj mjeri sadržane u divertoru i ne kontaminirati plazmu jezgre ograničene magnetom koja se koristi za proizvodnju fuzije.

Jedna komplikacija s dizajnom i radom divertora je kontaminacija nečistoća u plazmi uzrokovana rubno lokaliziranim modovima ili ELM. Neki od tih brzih, visokoenergetskih događaja, nalik sunčevim bakljama, mogu oštetiti ili uništiti komponente plovila kao što su divertorske ploče. Učestalost ELM-ova, broj puta u sekundi koji se ti događaji događaju, pokazatelj je količine energije koja se oslobađa od plazme do stijenke. Visokofrekventni ELM-ovi mogu osloboditi male količine plazme po erupciji, ali ako su ELM-ovi rjeđi, plazma i energija oslobođeni po erupciji su visoki, s većom vjerojatnošću oštećenja. Nedavna istraživanja su proučavala načine za kontrolu i povećanje učestalosti ELM-a, kao što je ubrizgavanje peleta ili dodatna magnetska polja vrlo malih veličina.

Unterbergov tim otkrio je, kao što je i očekivao, da je volfram daleko od udarne točke visokog protoka uvelike povećao vjerojatnost kontaminacije kada je izložen niskofrekventnim ELM-ovima koji imaju veći sadržaj energije i površinski kontakt po događaju. Osim toga, tim je otkrio da je ovo udaljeno ciljno područje divertora sklonije kontaminaciji SOL-a iako općenito ima niže flukseve od udarne točke. Ovi naizgled kontraintuitivni rezultati potvrđuju se tekućim naporima na modeliranju divertora u vezi s ovim projektom i budućim eksperimentima na DIII-D.

Ovaj projekt uključio je tim stručnjaka iz cijele Sjeverne Amerike, uključujući suradnike iz Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, University of California u San Diegu, University of Toronto, Sveučilište Tennessee-Knoxville i Sveučilište Wisconsin-Madison, budući da je pružilo značajan alat za istraživanje interakcije plazma-materijal. Ured za znanost DOE (Fusion Energy Sciences) pružio je podršku studiji.

Tim je objavio istraživanje online ranije ove godine u časopisuNuklearna fuzija.

Istraživanje bi moglo odmah koristiti Joint European Torusu ili JET-u i ITER-u koji se sada gradi u Cadaracheu u Francuskoj, a oba koriste oklop od volframa za divertor.

"Ali mi gledamo na stvari izvan ITER-a i JET-a - gledamo na fuzijske reaktore budućnosti", rekao je Unterberg. “Gdje je najbolje staviti volfram, a gdje ne smijete staviti volfram? Naš krajnji cilj je zaštititi naše fuzijske reaktore, kada dođu, na pametan način.”

Unterberg je rekao da je ORNL-ova jedinstvena grupa za stabilne izotope, koja je razvila i testirala obogaćeni izotopski premaz prije nego što ga je stavila u oblik koristan za eksperiment, omogućila istraživanje. Taj izotop ne bi bio dostupan nigdje osim u Nacionalnom centru za razvoj izotopa pri ORNL-u, koji održava zalihe gotovo svakog izotopski odvojenog elementa, rekao je.

"ORNL ima jedinstvenu stručnost i posebne želje za ovu vrstu istraživanja", rekao je Unterberg. "Imamo dugo naslijeđe razvijanja izotopa i njihove upotrebe u svim vrstama istraživanja u različitim primjenama diljem svijeta."

Osim toga, ORNL upravlja američkim ITER-om.

Zatim će tim razmotriti kako stavljanje volframa u divertore različitih oblika može utjecati na kontaminaciju jezgre. Različite geometrije divertora mogle bi minimizirati učinke međudjelovanja plazma-materijala na jezgru plazme, teoretizirali su. Poznavanje najboljeg oblika za divertor - nužnu komponentu za uređaj s magnetskom ograničenom plazmom - dovelo bi znanstvenike jedan korak bliže održivom plazma reaktoru.

"Ako mi, kao društvo, kažemo da želimo nuklearnu energiju i želimo prijeći na sljedeću fazu", rekao je Unterberg, "fuzija bi bila sveti gral."