Inni í framtíðar kjarnasamrunaorkuofnum verður með erfiðasta umhverfi sem framleitt hefur verið á jörðinni. Hvað er nógu sterkt til að vernda innra hluta samrunaofns fyrir hitaflæði sem myndast í plasma í ætt við geimferjur sem fara aftur inn í lofthjúp jarðar?

Rannsakendur ORNL notuðu náttúrulegt wolfram (gult) og auðgað wolfram (appelsínugult) til að rekja veðrun, flutning og endurútfellingu á wolfram. Volfram er leiðandi valkostur til að brynja innra bræðslutæki.

Zeke Unterberg og teymi hans á Oak Ridge National Laboratory í orkumálaráðuneytinu vinna nú með leiðandi frambjóðanda: wolfram, sem hefur hæsta bræðslumark og lægsta gufuþrýsting allra málma á lotukerfinu, auk mjög háan togstyrk— eignir sem gera það vel til þess fallið að taka á sig misnotkun í langan tíma. Þeir einbeita sér að því að skilja hvernig wolfram myndi virka inni í samrunaofni, tæki sem hitar ljósatóm að hitastigi sem er heitara en sólarkjarnan þannig að þau sameinast og losa orku. Vetnisgasi í samrunaofni er breytt í vetnisplasma - efnisástand sem samanstendur af að hluta jónuðu gasi - sem er síðan bundið á litlu svæði af sterkum segulsviðum eða leysigeislum.

"Þú vilt ekki setja eitthvað í kjarnaofninn þinn sem endist aðeins í nokkra daga," sagði Unterberg, háttsettur vísindamaður í samrunaorkudeild ORNL. „Þú vilt hafa nægan líftíma. Við setjum wolfram á svæði þar sem við gerum ráð fyrir að það verði mjög mikil plasma sprengjuárás.“

Árið 2016 hófu Unterberg og teymið tilraunir í tokamak, samrunaofni sem notar segulsvið til að innihalda hring af plasma, í DIII-D National Fusion Facility, DOE Office of Science notendaaðstöðu í San Diego. Þeir vildu vita hvort hægt væri að nota wolfram til að brynja lofttæmishólf tokamaksins - til að vernda það fyrir hraðri eyðileggingu af völdum plasmaáhrifa - án þess að menga plasma sjálft mikið. Þessi mengun, ef ekki er nægilega vel stjórnað, gæti að lokum slökkt á samrunahvörfinu.

„Við vorum að reyna að ákvarða hvaða svæði í hólfinu væru sérstaklega slæm: þar sem wolfram væri líklegast til að mynda óhreinindi sem geta mengað plasma,“ sagði Unterberg.

Til að komast að því notuðu rannsakendur auðgaða samsætu af wolfram, W-182, ásamt óbreyttu samsætunni, til að rekja veðrun, flutning og endurútfellingu á wolfram innan frá dreifaranum. Þegar litið var á hreyfingu wolframs innan dreifarans - svæði innan lofttæmishólfsins sem er hannað til að beina plasma og óhreinindum - gaf þeim skýrari mynd af því hvernig það eyðist af yfirborði innan tokamaksins og hefur samskipti við plasma. Auðgað wolfram samsætan hefur sömu eðlisfræðilega og efnafræðilega eiginleika og venjulegt wolfram. Tilraunirnar á DIII-D notuðu lítil málminnskot húðuð með auðguðu samsætunni sem komið er fyrir nálægt, en ekki á, hæsta hitaflæðissvæðinu, svæði í skipinu sem venjulega er nefnt fjarmarkssvæði víkjandi. Sérstaklega, á dreifarsvæði með mesta strauminn, strikpunktinn, notuðu vísindamenn innskot með óbreyttu samsætunni. Afgangurinn af DIII-D hólfinu er brynvörður grafíti.

Þessi uppsetning gerði rannsakendum kleift að safna sýnum á sérstökum könnunum sem voru settar tímabundið í hólfið til að mæla flæði óhreininda til og frá brynju skipsins, sem gæti gefið þeim nákvæmari hugmynd um hvar wolframið sem hafði lekið frá dreifaranum inn í hólfið hafði upprunninn.

„Að nota auðguðu samsætuna gaf okkur einstakt fingrafar,“ sagði Unterberg.

Þetta var fyrsta slíka tilraunin sem gerð var í samrunabúnaði. Eitt markmiðið var að ákvarða bestu efnin og staðsetningu þessara efna til að brynja hólfið, á sama tíma og óhreinindi af völdum plasma-efnasamskipta innihéldu að mestu leyti dreifarann ​​og menguðu ekki segulbundið kjarnaplasma sem notað er til að framleiða samruna.

Einn fylgikvilli við hönnun og rekstur dreifara er mengun óhreininda í blóðvökva af völdum brún-staðbundinna hama, eða ELMs. Sumir af þessum hröðu, orkumiklu atburðum, í ætt við sólarblys, geta skemmt eða eyðilagt íhluti skipa eins og flutningsplötur. Tíðni ELMs, skiptin á sekúndu sem þessir atburðir eiga sér stað, er vísbending um magn orku sem losnar úr plasma til veggsins. Hátíðni ELM getur losað lítið magn af plasma í hverju gosi, en ef ELM er sjaldnar er plasma og orka sem losnar við hvert gos mikil, með meiri líkur á skemmdum. Nýlegar rannsóknir hafa skoðað leiðir til að stjórna og auka tíðni ELM, svo sem með innspýtingu köggla eða viðbótar segulsviðum í mjög litlum stærðargráðum.

Teymi Unterbergs fann, eins og þeir bjuggust við, að að hafa wolframið langt frá háflæðispunktinum jók verulega líkurnar á mengun þegar þeir verða fyrir lágtíðni ELM sem hafa hærra orkuinnihald og yfirborðssnertingu fyrir hverja atburði. Að auki komst teymið að því að þetta fjarmarkssvæði sem dreift var frekar viðkvæmt fyrir mengun á SOL, jafnvel þó að það hafi almennt lægra flæði en höggpunkturinn. Þessar að því er virðist andstæðar niðurstöður eru staðfestar með áframhaldandi afleiðingarlíkönum í tengslum við þetta verkefni og framtíðartilraunir á DIII-D.

Þetta verkefni tók þátt í hópi sérfræðinga víðsvegar um Norður-Ameríku, þar á meðal samstarfsfólk frá Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, University of California í San Diego, háskólanum í Toronto, háskólanum í Tennessee-Knoxville og háskólanum í Wisconsin-Madison, þar sem það var mikilvægt tæki til rannsókna á samskiptum við plasma og efni. Vísindaskrifstofa DOE (Fusion Energy Sciences) veitti stuðning við rannsóknina.

Hópurinn birti rannsóknir á netinu fyrr á þessu ári í tímaritinuKjarnasamruni.

Rannsóknirnar gætu strax gagnast Joint European Torus, eða JET, og ITER, sem nú eru í smíðum í Cadarache, Frakklandi, sem báðir nota wolfram brynju fyrir dreifarann.

„En við erum að skoða hluti fyrir utan ITER og JET — við erum að skoða samrunakjarnakljúfa framtíðarinnar,“ sagði Unterberg. „Hvar er best að setja wolfram og hvar á ekki að setja wolfram? Lokamarkmið okkar er að brynja samrunakljúfa okkar, þegar þeir koma, á snjallan hátt.“

Unterberg sagði að einstaka Stable Isotopes Group ORNL, sem þróaði og prófaði auðgað samsætuhúðina áður en það var sett í form sem var gagnlegt fyrir tilraunina, gerði rannsóknirnar mögulegar. Þessi samsæta hefði hvergi verið fáanleg nema frá National Isotope Development Center í ORNL, sem heldur úti birgðum af næstum öllum frumefnum sem eru samsætulega aðskilin, sagði hann.

„ORNL hefur einstaka sérþekkingu og sérstakar óskir um þessa tegund rannsókna,“ sagði Unterberg. "Við höfum langa arfleifð að þróa samsætur og nota þær í alls kyns rannsóknum í mismunandi forritum um allan heim."

Að auki stýrir ORNL US ITER.

Næst mun teymið skoða hvernig það getur haft áhrif á mengun kjarnans að setja wolfram í mismunandi lögun. Mismunandi rúmfræði dreifara gæti lágmarkað áhrif víxlverkana á plasma-efni á kjarna plasma, hafa þeir sett fram. Að þekkja besta lögun dreifarar - nauðsynlegur hluti fyrir segulbundið plasmatæki - myndi koma vísindamönnum einu skrefi nær raunhæfum plasmakljúfi.

„Ef við sem samfélag segjum að við viljum að kjarnorka verði til og við viljum fara á næsta stig,“ sagði Unterberg, „væri samruni hinn heilagi gral.