L’interno dei futuri reattori a fusione nucleare sarà tra gli ambienti più difficili mai prodotti sulla Terra. Cosa è abbastanza forte da proteggere l'interno di un reattore a fusione dai flussi di calore prodotti dal plasma simili a quelli delle navette spaziali che rientrano nell'atmosfera terrestre?

I ricercatori dell'ORNL hanno utilizzato il tungsteno naturale (giallo) e il tungsteno arricchito (arancione) per tracciare l'erosione, il trasporto e la rideposizione del tungsteno. Il tungsteno è l'opzione principale per corazzare l'interno di un dispositivo di fusione.

Zeke Unterberg e il suo team presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia stanno attualmente lavorando con il candidato principale: il tungsteno, che ha il punto di fusione più alto e la pressione di vapore più bassa di tutti i metalli sulla tavola periodica, oltre a una resistenza alla trazione molto elevata. proprietà che lo rendono adatto ad abusarne per lunghi periodi di tempo. Il loro obiettivo è capire come funzionerebbe il tungsteno all'interno di un reattore a fusione, un dispositivo che riscalda gli atomi di luce a temperature più calde del nucleo del sole in modo che si fondano e rilascino energia. Il gas di idrogeno in un reattore a fusione viene convertito in plasma di idrogeno – uno stato della materia costituito da gas parzialmente ionizzato – che viene poi confinato in una piccola regione da forti campi magnetici o laser.

"Non vuoi mettere qualcosa nel tuo reattore che duri solo un paio di giorni", ha detto Unterberg, ricercatore senior nella Divisione Energia da Fusione dell'ORNL. “Vuoi avere una durata sufficiente. Mettiamo il tungsteno nelle aree in cui prevediamo che ci sarà un bombardamento di plasma molto elevato”.

Nel 2016, Unterberg e il team hanno iniziato a condurre esperimenti nel tokamak, un reattore a fusione che utilizza campi magnetici per contenere un anello di plasma, presso il DIII-D National Fusion Facility, una struttura utente del DOE Office of Science a San Diego. Volevano sapere se il tungsteno potesse essere utilizzato per corazzare la camera a vuoto del tokamak, proteggendola dalla rapida distruzione causata dagli effetti del plasma, senza contaminare pesantemente il plasma stesso. Questa contaminazione, se non sufficientemente gestita, potrebbe infine estinguere la reazione di fusione.

"Stavamo cercando di determinare quali aree della camera sarebbero state particolarmente dannose: dove il tungsteno aveva maggiori probabilità di generare impurità che possono contaminare il plasma", ha detto Unterberg.

Per scoprirlo, i ricercatori hanno utilizzato un isotopo arricchito di tungsteno, W-182, insieme all’isotopo non modificato, per tracciare l’erosione, il trasporto e la rideposizione del tungsteno dall’interno del divertore. Osservando il movimento del tungsteno all’interno del divertore – un’area all’interno della camera a vuoto progettata per deviare il plasma e le impurità – ha fornito loro un quadro più chiaro di come si erode dalle superfici all’interno del tokamak e interagisce con il plasma. L'isotopo di tungsteno arricchito ha le stesse proprietà fisiche e chimiche del tungsteno normale. Gli esperimenti al DIII-D hanno utilizzato piccoli inserti metallici rivestiti con l'isotopo arricchito posizionati vicino, ma non nella zona del flusso di calore più elevato, un'area nel recipiente tipicamente chiamata regione del bersaglio lontano del divertore. Separatamente, in una regione del divertore con i flussi più elevati, il punto di attacco, i ricercatori hanno utilizzato inserti con l’isotopo non modificato. Il resto della camera DIII-D è corazzato con grafite.

Questa configurazione ha permesso ai ricercatori di raccogliere campioni su speciali sonde temporaneamente inserite nella camera per misurare il flusso di impurità da e verso l'armatura del vaso, il che potrebbe dare loro un'idea più precisa di dove si trovava il tungsteno fuoriuscito dal divertore nella camera. ha avuto origine.

"L'uso dell'isotopo arricchito ci ha fornito un'impronta digitale unica", ha detto Unterberg.

È stato il primo esperimento del genere condotto in un dispositivo di fusione. Uno degli obiettivi era determinare i materiali e la posizione migliori per questi materiali per l'armatura della camera, mantenendo le impurità causate dalle interazioni plasma-materiale in gran parte contenute nel divertore e non contaminando il plasma del nucleo confinato con il magnete utilizzato per produrre la fusione.

Una complicazione con la progettazione e il funzionamento dei divertori è la contaminazione da impurità nel plasma causata da modalità edge localizzate o ELM. Alcuni di questi eventi rapidi e ad alta energia, simili ai brillamenti solari, possono danneggiare o distruggere componenti delle navi come le piastre divertori. La frequenza degli ELM, il numero di volte al secondo in cui si verificano questi eventi, è un indicatore della quantità di energia rilasciata dal plasma alla parete. Gli ELM ad alta frequenza possono rilasciare basse quantità di plasma per eruzione, ma se gli ELM sono meno frequenti, il plasma e l'energia rilasciati per eruzione sono elevati, con una maggiore probabilità di danno. Ricerche recenti hanno esaminato i modi per controllare e aumentare la frequenza degli ELM, ad esempio con l’iniezione di pellet o campi magnetici aggiuntivi di magnitudo molto piccola.

Il team di Unterberg ha scoperto, come previsto, che avere il tungsteno lontano dal punto di impatto ad alto flusso aumenta notevolmente la probabilità di contaminazione quando esposto a ELM a bassa frequenza che hanno un contenuto energetico e un contatto superficiale più elevati per evento. Inoltre, il team ha scoperto che questa regione del bersaglio lontano del divertore era più incline a contaminare il SOL anche se generalmente ha flussi inferiori rispetto al punto di impatto. Questi risultati apparentemente controintuitivi vengono confermati dagli sforzi in corso di modellazione del divertore in relazione a questo progetto e dai futuri esperimenti su DIII-D.

Questo progetto ha coinvolto un team di esperti provenienti da tutto il Nord America, tra cui collaboratori del Princeton Plasma Physics Laboratory, del Lawrence Livermore National Laboratory, dei Sandia National Laboratories, dell'ORNL, della General Atomics, della Auburn University, dell'Università della California a San Diego, dell'Università di Toronto, l'Università del Tennessee-Knoxville e l'Università del Wisconsin-Madison, poiché ha fornito uno strumento significativo per la ricerca sull'interazione plasma-materiale. L'Office of Science del DOE (Fusion Energy Sciences) ha fornito supporto allo studio.

Il team ha pubblicato una ricerca online all’inizio di quest’anno sulla rivistaFusione nucleare.

La ricerca potrebbe portare immediatamente benefici al Joint European Torus, o JET, e ITER, ora in costruzione a Cadarache, in Francia, che utilizzano entrambi un'armatura di tungsteno per il divertore.

"Ma stiamo guardando a cose che vanno oltre ITER e JET: stiamo guardando ai reattori a fusione del futuro", ha detto Unterberg. “Dove è meglio mettere il tungsteno e dove non dovresti metterlo? Il nostro obiettivo finale è blindare i nostri reattori a fusione, quando arriveranno, in modo intelligente”.

Unterberg ha affermato che l'esclusivo Stable Isotopes Group dell'ORNL, che ha sviluppato e testato il rivestimento isotopico arricchito prima di metterlo in una forma utile per l'esperimento, ha reso possibile la ricerca. Quell'isotopo non sarebbe stato disponibile da nessun'altra parte se non presso il Centro nazionale per lo sviluppo degli isotopi dell'ORNL, che mantiene una scorta di quasi tutti gli elementi separati isotopicamente, ha detto.

"L'ORNL ha competenze uniche e desideri particolari per questo tipo di ricerca", ha affermato Unterberg. “Abbiamo una lunga tradizione nello sviluppo di isotopi e nel loro utilizzo in tutti i tipi di ricerca in diverse applicazioni in tutto il mondo”.

Inoltre, ORNL gestisce l'ITER statunitense.

Successivamente, il team esaminerà come l’immissione di tungsteno in divertori di forma diversa potrebbe influenzare la contaminazione del nucleo. Hanno teorizzato che diverse geometrie del divertore potrebbero minimizzare gli effetti delle interazioni plasma-materiale sul plasma centrale. Conoscere la forma migliore per un divertore, un componente necessario per un dispositivo al plasma confinato magneticamente, porterebbe gli scienziati un passo avanti verso un reattore al plasma praticabile.

“Se noi, come società, dicessimo di voler realizzare l’energia nucleare e vogliamo passare alla fase successiva”, ha detto Unterberg, “la fusione sarebbe il Santo Graal”.