Ապագա միջուկային միաձուլման էներգիայի ռեակտորների ներսը կլինի Երկրի վրա երբևէ ստեղծված ամենադաժան միջավայրերից մեկը: Ի՞նչն է բավականաչափ ամուր, որպեսզի պաշտպանի միաձուլման ռեակտորի ներսը պլազմայի կողմից արտադրվող ջերմային հոսքերից, որոնք նման են տիեզերական մաքոքներին, որոնք կրկին մտնում են Երկրի մթնոլորտ:

ORNL-ի հետազոտողները օգտագործել են բնական վոլֆրամ (դեղին) և հարստացված վոլֆրամ (նարնջագույն)՝ հետևելու վոլֆրամի էրոզիայի, տեղափոխման և վերաբաշխման: Վոլֆրամը միաձուլման սարքի ներսը զրահապատելու առաջատար տարբերակն է:

Զեկե Ունթերբերգը և նրա թիմը Էներգետիկայի դեպարտամենտի Oak Ridge ազգային լաբորատորիայում ներկայումս աշխատում են առաջատար թեկնածուի հետ՝ վոլֆրամի հետ, որն ունի ամենաբարձր հալման կետը և ամենացածր գոլորշի ճնշումը բոլոր մետաղներից պարբերական աղյուսակում, ինչպես նաև շատ բարձր առաձգական ուժ։ հատկություններ, որոնք հարմար են դարձնում այն ​​երկար ժամանակ չարաշահելու համար: Նրանք կենտրոնացած են հասկանալու վրա, թե ինչպես է վոլֆրամը աշխատել միաձուլման ռեակտորի ներսում, մի սարք, որը տաքացնում է լույսի ատոմները արևի միջուկից ավելի տաք ջերմաստիճանի, որպեսզի նրանք միաձուլվեն և էներգիա արձակեն: Ջրածին գազը միաձուլման ռեակտորում վերածվում է ջրածնի պլազմայի՝ նյութի վիճակ, որը բաղկացած է մասնակի իոնացված գազից, որն այնուհետև սահմանափակվում է փոքր տարածքում ուժեղ մագնիսական դաշտերի կամ լազերների միջոցով։

«Դուք չեք ցանկանում ձեր ռեակտորում ինչ-որ բան դնել, որը տևում է ընդամենը մի քանի օր», - ասում է Ունտերբերգը, ORNL-ի Fusion Energy բաժնի ավագ գիտաշխատող: «Դուք ցանկանում եք ունենալ բավարար կյանք: Մենք վոլֆրամ ենք դնում այն ​​տարածքներում, որտեղ մենք ակնկալում ենք, որ շատ բարձր պլազմային ռմբակոծումներ կլինեն»:

2016 թվականին Ունտերբերգը և թիմը սկսեցին փորձեր կատարել tokamak-ում՝ միաձուլման ռեակտորում, որն օգտագործում է մագնիսական դաշտեր՝ պլազմայի օղակ պարունակելու համար, DIII-D National Fusion Facility-ում՝ Սան Դիեգոյի DOE Science Office օգտագործողների հաստատությունում: Նրանք ցանկանում էին իմանալ, թե արդյոք վոլֆրամը կարող է օգտագործվել զրահապատելու համար tokamak-ի վակուումային խցիկը, որը պաշտպանում է այն պլազմայի ազդեցության հետևանքով առաջացած արագ ոչնչացումից, առանց մեծապես աղտոտելու պլազման: Այս աղտոտումը, եթե բավարար չափով չկառավարվի, կարող է ի վերջո մարել միաձուլման ռեակցիան:

«Մենք փորձում էինք որոշել, թե խցիկի որ հատվածներն են հատկապես վատը. որտեղ վոլֆրամն ամենայն հավանականությամբ կստեղծի կեղտեր, որոնք կարող են աղտոտել պլազման», - ասաց Ունտերբերգը:

Դա պարզելու համար հետազոտողները օգտագործել են վոլֆրամի հարստացված W-182 իզոտոպը չձևափոխված իզոտոպի հետ միասին՝ հետևելու վոլֆրամի էրոզիայի, տեղափոխման և վերաբաշխման դիվերտորի ներսից: Դիվերտորի ներսում վոլֆրամի տեղաշարժին նայելը, որը վակուումային խցիկի մեջ է, որը նախատեսված է պլազմայի և կեղտերը շեղելու համար, նրանց ավելի հստակ պատկերացում տվեց, թե ինչպես է այն քայքայվում տոկամակի մակերևույթներից և փոխազդում պլազմայի հետ: Վոլֆրամի հարստացված իզոտոպն ունի նույն ֆիզիկական և քիմիական հատկությունները, ինչ սովորական վոլֆրամը: DIII-D-ի փորձարկումներում օգտագործվել են փոքր մետաղական ներդիրներ, որոնք պատված են հարստացված իզոտոպով, որը տեղադրված է ամենաբարձր ջերմային հոսքի գոտուն մոտ, բայց ոչ ամենաբարձր, նավի տարածքում, որը սովորաբար կոչվում է շեղող հեռավոր թիրախային շրջան: Առանձին-առանձին, դիվերտորային շրջանում ամենաբարձր հոսքերով՝ հարվածային կետով, հետազոտողները օգտագործել են ներդիրներ չփոփոխված իզոտոպով: DIII-D խցիկի մնացած մասը զրահապատված է գրաֆիտով:

Այս կարգավորումը թույլ է տվել հետազոտողներին նմուշներ հավաքել հատուկ զոնդերի վրա, որոնք ժամանակավորապես տեղադրված են խցիկում՝ չափելու անմաքրության հոսքը դեպի և դեպի նավի զրահ, ինչը կարող է նրանց ավելի ճշգրիտ պատկերացում տալ այն մասին, թե որտեղ է վոլֆրամը, որը դուրս է հոսել դիվերտորից խցիկ։ ծագել է.

«Հարստացված իզոտոպի օգտագործումը մեզ յուրահատուկ մատնահետք տվեց», - ասաց Ունտերբերգը:

Դա առաջին նման փորձն էր, որն իրականացվել էր միաձուլման սարքում։ Նպատակներից մեկը խցիկի զրահապատման համար այս նյութերի լավագույն նյութերն ու տեղը որոշելն էր՝ միաժամանակ պահպանելով պլազմայի-նյութի փոխազդեցության հետևանքով առաջացած կեղտերը, որոնք հիմնականում պարունակվում են դիվերտորում և չաղտոտելով մագնիսով սահմանափակված միջուկի պլազման, որն օգտագործվում է միաձուլման համար:

Դիվերտորների նախագծման և շահագործման հետ կապված բարդություններից մեկը պլազմայում կեղտոտ աղտոտումն է, որն առաջացել է եզրային տեղայնացված ռեժիմների կամ ELM-ների պատճառով: Այս արագ, բարձր էներգիայի իրադարձություններից մի քանիսը, որոնք նման են արևի բռնկումներին, կարող են վնասել կամ ոչնչացնել նավի բաղադրիչները, ինչպիսիք են դիվերտորային թիթեղները: ELM-ների հաճախականությունը, վայրկյանում այս իրադարձությունների տեղի ունեցող դեպքերը պլազմայից պատին արձակվող էներգիայի քանակի ցուցանիշն է: Բարձր հաճախականությամբ ELM-ները կարող են արտանետել ցածր քանակությամբ պլազմա յուրաքանչյուր ժայթքման դեպքում, բայց եթե ELM-ները ավելի քիչ հաճախակի են լինում, ապա մեկ ժայթքումից արտազատվող պլազման և էներգիան բարձր է, վնասվելու ավելի մեծ հավանականությամբ: Վերջին հետազոտությունները դիտարկել են ELM-ների հաճախականությունը վերահսկելու և մեծացնելու ուղիները, ինչպիսիք են գնդիկների ներարկումը կամ լրացուցիչ մագնիսական դաշտերը շատ փոքր մեծություններով:

Ունտերբերգի թիմը պարզել է, ինչպես նրանք ակնկալում էին, որ վոլֆրամը բարձր հոսքի հարվածային կետից հեռու մեծապես մեծացնում է աղտոտման հավանականությունը, երբ ենթարկվում են ցածր հաճախականության ELM-ների, որոնք ունեն ավելի բարձր էներգիայի պարունակություն և մակերեսային շփում յուրաքանչյուր իրադարձության համար: Բացի այդ, թիմը պարզել է, որ այս շեղող հեռավոր թիրախային շրջանն ավելի հակված է SOL-ի աղտոտմանը, թեև այն սովորաբար ավելի ցածր հոսքեր ունի, քան հարվածային կետը: Այս առաջին հայացքից հակասական արդյունքները հաստատվում են այս նախագծի հետ կապված շարունակական դիվերտորների մոդելավորման ջանքերով և DIII-D-ի վրա ապագա փորձարկումներով:

Այս նախագիծը ներառում էր փորձագետների թիմ ամբողջ Հյուսիսային Ամերիկայից, այդ թվում՝ Փրինսթոնի պլազմայի ֆիզիկայի լաբորատորիայի, Լոուրենս Լիվերմորի ազգային լաբորատորիայի, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn համալսարանի, Կալիֆորնիայի համալսարանի Սան Դիեգոյի համալսարանի, Տորոնտոյի համալսարանի, Թենեսի-Նոքսվիլի համալսարանը և Վիսկոնսին-Մեդիսոնի համալսարանը, քանի որ այն նշանակալից գործիք էր պլազմայի և նյութի փոխազդեցության հետազոտություն: DOE-ի Գիտության գրասենյակը (Fusion Energy Sciences) աջակցել է ուսումնասիրությանը:

Թիմը առցանց հետազոտություն է հրապարակել այս տարվա սկզբին ամսագրումՄիջուկային միաձուլում.

Հետազոտությունը կարող է անմիջապես օգուտ քաղել Joint European Torus-ին կամ JET-ին և ITER-ին, որոնք այժմ կառուցվում են Ֆրանսիայի Cadarache քաղաքում, որոնք երկուսն էլ օգտագործում են վոլֆրամի զրահներ դիվերտորի համար:

«Բայց մենք նայում ենք ITER-ից և JET-ից դուրս բաներին, մենք նայում ենք ապագայի միաձուլման ռեակտորներին», - ասաց Ունտերբերգը: «Որտե՞ղ է ավելի լավ վոլֆրամ դնել, և որտե՞ղ չի կարելի վոլֆրամ դնել: Մեր վերջնական նպատակն է խելացի կերպով զրահապատել մեր միաձուլման ռեակտորները, երբ նրանք գան»:

Ունտերբերգն ասաց, որ ORNL-ի եզակի Stable Isotopes Group-ը, որը մշակել և փորձարկել է հարստացված իզոտոպային ծածկույթը՝ նախքան այն փորձի համար օգտակար ձևի մեջ դնելը, հնարավոր է դարձրել հետազոտությունը: Այդ իզոտոպը հասանելի չէր լինի ոչ մի տեղ, բացի ORNL-ի Իզոտոպների զարգացման ազգային կենտրոնից, որը պահպանում է իզոտոպիկ կերպով առանձնացված գրեթե յուրաքանչյուր տարրի պաշար, ասաց նա:

«ORNL-ն ունի յուրահատուկ փորձ և հատուկ ցանկություններ այս տեսակի հետազոտությունների համար», - ասաց Ունտերբերգը: «Մենք ունենք իզոտոպներ մշակելու և դրանք օգտագործելու երկար ժառանգություն աշխարհի տարբեր ծրագրերում բոլոր տեսակի հետազոտություններում»:

Բացի այդ, ORNL-ը ղեկավարում է US ITER-ը:

Այնուհետև, թիմը կքննարկի, թե ինչպես կարող է վոլֆրամի տեղադրումը տարբեր ձևի դիվերտորների մեջ ազդել միջուկի աղտոտման վրա: Տարբեր դիվերտորային երկրաչափություններ կարող են նվազագույնի հասցնել պլազմա-նյութերի փոխազդեցությունների ազդեցությունը միջուկի պլազմայի վրա, նրանք տեսականորեն ենթադրում են: Դիվերտորի լավագույն ձևի իմացությունը, որն անհրաժեշտ բաղադրիչ է մագնիսով սահմանափակված պլազմային սարքի համար, գիտնականներին մեկ քայլ ավելի մոտ կբերի կենսունակ պլազմային ռեակտորին:

«Եթե մենք, որպես հասարակություն, ասենք, որ ցանկանում ենք, որ միջուկային էներգիան տեղի ունենա, և մենք ցանկանում ենք անցնել հաջորդ փուլ», - ասաց Ունտերբերգը, «միաձուլումը կլինի սուրբ գրալը»: