A jövőbeli nukleáris fúziós energiareaktorok belseje a Földön valaha előállított legkeményebb környezetek közé fog tartozni. Mi elég erős ahhoz, hogy megvédje a fúziós reaktor belsejét a plazma által előállított hőáramoktól, amelyek hasonlítanak a Föld légkörébe visszatérő űrsiklókhoz?

Az ORNL kutatói természetes volfrámot (sárga) és dúsított volfrámot (narancssárga) használtak a volfrám eróziójának, szállításának és újralerakódásának nyomon követésére. A volfrám a vezető lehetőség a fúziós eszköz belsejének páncélozására.

Zeke Unterberg és csapata az Energiaügyi Minisztérium Oak Ridge Nemzeti Laboratóriumában jelenleg a vezető jelölttel dolgozik: a volfrámmal, amelynek a legmagasabb olvadáspontja és a legalacsonyabb gőznyomása a periódusos rendszerben szereplő összes fém közül, valamint nagyon nagy a szakítószilárdsága. olyan tulajdonságok, amelyek alkalmassá teszik a hosszú távú visszaélésekre. Arra összpontosítanak, hogy megértsék, hogyan működik a wolfram egy fúziós reaktorban, egy olyan eszközben, amely a könnyű atomokat a nap magjánál magasabb hőmérsékletre melegíti fel, így azok egyesülnek és energiát szabadítanak fel. A fúziós reaktorban lévő hidrogéngázt hidrogénplazmává alakítják át - egy olyan halmazállapotba, amely részben ionizált gázból áll -, amelyet azután erős mágneses mezők vagy lézerek korlátoznak egy kis területen.

„Ne akarjon olyat tenni a reaktorba, ami csak néhány napig tart” – mondta Unterberg, az ORNL Fúziós Energia részlegének vezető kutatója. „Elegendő életet akarsz. Volfrámot helyezünk olyan területekre, ahol várhatóan nagyon erős plazmabombázás lesz.”

2016-ban Unterberg és csapata kísérleteket kezdett végezni a tokamak-ban, egy fúziós reaktorban, amely mágneses mezőket használ a plazmagyűrű tárolására a DIII-D National Fusion Facility-ben, a DOE Tudományos Hivatal felhasználói létesítményében San Diego-ban. Azt akarták tudni, hogy a volfrám felhasználható-e a tokamak vákuumkamrájának páncélozására – megvédve azt a plazmahatások okozta gyors pusztulástól – anélkül, hogy magát a plazmát erősen szennyezné. Ez a szennyeződés, ha nem kezelik megfelelően, végül kiolthatja a fúziós reakciót.

"Megpróbáltuk meghatározni, hogy a kamrában mely területek lennének különösen rosszak: ahol a volfrám a legvalószínűbb, hogy szennyeződéseket termel, amelyek szennyezhetik a plazmát" - mondta Unterberg.

Ennek megállapítására a kutatók a volfrám dúsított izotópját, a W-182-t használták a módosítatlan izotóppal együtt, hogy nyomon kövessék a volfrám erózióját, szállítását és újralerakódását a terelő belsejéből. Ha megnézzük a volfrám mozgását a terelőben – a vákuumkamrában, amely a plazma és a szennyeződések elvezetésére szolgál – világosabb képet kaptak arról, hogyan erodálódik a tokamak felületeiről, és hogyan lép kölcsönhatásba a plazmával. A dúsított wolfram izotóp fizikai és kémiai tulajdonságai megegyeznek a normál volfráméval. A DIII-D kísérletekben kisméretű fémbetéteket használtak, amelyeket dúsított izotóppal vontak be, és közel helyezték el, de nem ott, a legmagasabb hőfluxus zónában, amely az edény egy olyan területe, amelyet általában divertor távoli célterületnek neveznek. Külön-külön, a legnagyobb fluxusú divertor régióban, a csapási pontnál a kutatók módosítatlan izotóppal rendelkező betéteket használtak. A DIII-D kamra többi része grafittal van páncélozott.

Ez az elrendezés lehetővé tette a kutatók számára, hogy a kamrába ideiglenesen behelyezett speciális szondákon mintákat gyűjtsenek, hogy mérjék a szennyeződések áramlását az edénypáncélba és az onnan kifelé, így pontosabb képet kaphattak arról, hogy hol volt a terelőből a kamrába szivárgott volfrám. keletkezett.

"A dúsított izotóp használatával egyedi ujjlenyomatot kaptunk" - mondta Unterberg.

Ez volt az első ilyen kísérlet, amelyet fúziós eszközzel végeztek. Az egyik cél az volt, hogy meghatározzák ezeknek az anyagoknak a legjobb anyagát és helyét a kamrapáncélozáshoz, miközben a plazma-anyag kölcsönhatások által okozott szennyeződéseket nagyrészt az eltérítőben tartják, és nem szennyezik be a fúzió előállításához használt, mágnessel körülvett magplazmát.

A divertorok tervezésének és működésének egyik bonyodalmassága a plazmában lévő szennyeződések szennyeződése, amelyet az él-lokalizált módok vagy ELM-ek okoznak. A napkitörésekhez hasonló gyors, nagy energiájú események némelyike ​​károsíthatja vagy tönkreteheti az edények alkatrészeit, például a terelőlemezeket. Az ELM-ek gyakorisága, az események másodpercenkénti gyakorisága a plazmából a falra felszabaduló energia mennyiségét jelzi. A nagyfrekvenciás ELM-ek kis mennyiségű plazmát bocsáthatnak ki kitörésenként, de ha az ELM-ek ritkábban fordulnak elő, akkor a kitörésenként felszabaduló plazma és energia magas, nagyobb a károsodás valószínűsége. A legújabb kutatások az ELM-ek gyakoriságának szabályozásának és növelésének módjait vizsgálták, például pellet befecskendezéssel vagy nagyon kis méretű további mágneses mezőkkel.

Unterberg csapata – ahogyan azt várták – azt találta, hogy a volfrám távoli a nagy fluxusú ütési ponttól nagymértékben megnövelte a szennyeződés valószínűségét, ha olyan alacsony frekvenciájú ELM-eknek vannak kitéve, amelyeknek nagyobb az energiatartalma és a felületi érintkezés eseményenként. Ezenkívül a csapat azt találta, hogy ez az eltérítő távoli célterület hajlamosabb volt a SOL szennyeződésére, annak ellenére, hogy általában alacsonyabb fluxusokkal rendelkezik, mint a csapási pont. Ezeket a látszólag ellentétes eredményeket megerősítik a projekttel kapcsolatos, folyamatban lévő divertor modellezési erőfeszítések és a DIII-D jövőbeli kísérletei.

Ebben a projektben Észak-Amerika egész területéről érkezett szakértőkből álló csapat vett részt, köztük a Princeton Plasma Physics Laboratory, a Lawrence Livermore National Laboratory, a Sandia National Laboratories, az ORNL, a General Atomics, az Auburn Egyetem, a Kaliforniai Egyetem San Diego-i és a Torontói Egyetem munkatársai. a Tennessee-Knoxville-i Egyetem és a Wisconsin-Madison Egyetem, mivel jelentős eszközt nyújtott a plazma-anyag kölcsönhatás kutatásához. A DOE Tudományos Hivatala (Fusion Energy Sciences) támogatta a tanulmányt.

A csapat az év elején online publikálta a kutatást a folyóiratbanNukleáris fúzió.

A kutatás azonnal hasznára válhat a Joint European Torusnak, vagyis a JET-nek és az ITER-nek, amelyek most épülnek a franciaországi Cadarache-ban, mindkettő volfrámpáncélt használ az eltérítőhöz.

„De mi az ITER-en és a JET-en túlmutató dolgokat vizsgálunk – a jövő fúziós reaktorait nézzük” – mondta Unterberg. „Hová a legjobb volfrámot tenni, és hová nem? Végső célunk az, hogy a fúziós reaktorainkat intelligens módon páncélozzuk, amikor jönnek.”

Unterberg elmondta, hogy az ORNL egyedülálló Stabil Izotóp Csoportja, amely kifejlesztette és tesztelte a dúsított izotópos bevonatot, mielőtt a kísérlet számára hasznos formába helyezte volna, tette lehetővé a kutatást. Ez az izotóp nem lett volna elérhető sehol, csak az ORNL Nemzeti Izotópfejlesztési Központjában, amely szinte minden elemet izotóposan elválasztva tart fenn, mondta.

"Az ORNL egyedülálló szakértelemmel és különleges vágyakkal rendelkezik az ilyen típusú kutatások iránt" - mondta Unterberg. „Hosszú örökségünk van az izotópok fejlesztésében és a kutatások során történő felhasználásában a világ különböző részein.”

Ezenkívül az ORNL kezeli az US ITER-t.

Ezután a csapat megvizsgálja, hogy a volfrám különböző alakú terelőkbe helyezése hogyan befolyásolhatja a mag szennyeződését. Elméletileg a különböző divertorgeometriák minimalizálhatják a plazma-anyag kölcsönhatások hatását a magplazmára. Ha ismerik a divertor legjobb alakját – a mágneses zárt plazmaeszköz szükséges alkatrészét –, a tudósok egy lépéssel közelebb kerülnének az életképes plazmareaktorhoz.

"Ha mi, mint társadalom azt mondjuk, hogy az atomenergiát akarjuk, és a következő szakaszba akarunk lépni" - mondta Unterberg - "a fúzió lenne a szent grál".