החלק הפנימי של כורי אנרגיה עתידיים של היתוך גרעיני יהיה בין הסביבות הקשות ביותר שיוצרו אי פעם על פני כדור הארץ. מה חזק מספיק כדי להגן על החלק הפנימי של כור היתוך מפני שטפי חום המיוצרים בפלזמה הדומים למעבורות החלל החודרות מחדש לאטמוספירה של כדור הארץ?

חוקרי ORNL השתמשו בטונגסטן טבעי (צהוב) ובטונגסטן מועשר (כתום) כדי להתחקות אחר השחיקה, ההובלה וההצבה מחדש של טונגסטן. טונגסטן היא האפשרות המובילה לשריון פנים של מכשיר היתוך.

זקה אונטרברג וצוותו במעבדה הלאומית אוק רידג' של משרד האנרגיה עובדים כעת עם המועמד המוביל: טונגסטן, בעל נקודת ההיתוך הגבוהה ביותר ולחץ האדים הנמוך ביותר מכל המתכות בטבלה המחזורית, כמו גם חוזק מתיחה גבוה מאוד - נכסים שהופכים אותו למתאים היטב להתעללות לפרקי זמן ארוכים. הם מתמקדים בהבנה כיצד טונגסטן יעבוד בתוך כור היתוך, מכשיר שמחמם אטומי אור לטמפרטורות חמות יותר מליבת השמש כך שהם מתמזגים ומשחררים אנרגיה. גז מימן בכור היתוך הופך לפלסמת מימן - מצב של חומר המורכב מגז מיונן חלקית - שנכלא אז באזור קטן על ידי שדות מגנטיים חזקים או לייזרים.

"אתה לא רוצה לשים משהו בכור שלך שיימשך רק כמה ימים," אמר אונטרברג, מדען מחקר בכיר בחטיבת ה- Fusion Energy של ORNL. "אתה רוצה שיהיה לך מספיק חיים. שמנו טונגסטן באזורים שבהם אנו צופים שתהיה הפצצת פלזמה גבוהה מאוד".

בשנת 2016, אונטרברג והצוות החלו לערוך ניסויים ב-tokamak, כור היתוך שמשתמש בשדות מגנטיים כדי להכיל טבעת של פלזמה, במתקן ההיתוך הלאומי DIII-D, מתקן משתמש של משרד ה-DOE Office of Science בסן דייגו. הם רצו לדעת האם ניתן להשתמש בטונגסטן כדי לשריון את תא הוואקום של הטוקמק - להגן עליו מפני הרס מהיר שנגרם על ידי השפעות הפלזמה - מבלי לזהם מאוד את הפלזמה עצמה. זיהום זה, אם לא מנוהל מספיק, יכול בסופו של דבר לכבות את תגובת ההיתוך.

"ניסינו לקבוע אילו אזורים בתא יהיו גרועים במיוחד: היכן הטונגסטן צפוי ליצור זיהומים שיכולים לזהם את הפלזמה", אמר אונטרברג.

כדי לגלות זאת, החוקרים השתמשו באיזוטופ מועשר של טונגסטן, W-182, יחד עם האיזוטופ הלא שונה, כדי להתחקות אחר השחיקה, ההובלה וההצבה מחדש של טונגסטן מתוך המפנה. התבוננות בתנועת טונגסטן בתוך המפנה - אזור בתוך תא הוואקום שנועד להסיט פלזמה וזיהומים - נתנה להם תמונה ברורה יותר של האופן שבו הוא נשחק ממשטחים בתוך הטוקמק ומקיים אינטראקציה עם הפלזמה. לאיזוטופ הטונגסטן המועשר יש אותן תכונות פיזיקליות וכימיות כמו טונגסטן רגיל. הניסויים ב-DIII-D השתמשו בתוספות מתכת קטנות המצופים באיזוטופ המועשר הממוקמים קרוב, אך לא באזור, לאזור שטף החום הגבוה ביותר, אזור בכלי הנקרא בדרך כלל אזור היעד המרחיק המפנה. בנפרד, באזור מפנה עם השטפים הגבוהים ביותר, נקודת הפגיעה, השתמשו החוקרים בתוספות עם האיזוטופ הלא שונה. שאר תא DIII-D משוריין בגרפיט.

הגדרה זו אפשרה לחוקרים לאסוף דגימות על בדיקות מיוחדות שהוכנסו באופן זמני לתא למדידת זרימת הטומאה אל ושריון כלי השיט, מה שיכול לתת להם מושג מדויק יותר היכן היה הטונגסטן שדלף מהמסיט אל תוך החדר. מקורו.

"השימוש באיזוטופ המועשר נתן לנו טביעת אצבע ייחודית", אמר אונטרברג.

זה היה הניסוי הראשון שכזה שנערך במכשיר היתוך. אחת המטרות הייתה לקבוע את החומרים והמיקום הטובים ביותר עבור חומרים אלה לשריון תא, תוך שמירה על זיהומים הנגרמים על ידי אינטראקציות פלזמה-חומר המוכלים ברובם על המפנה ולא מזהמים את פלזמת הליבה המוגבלת במגנט המשמשת לייצור היתוך.

סיבוך אחד עם התכנון והתפעול של מפנים הוא זיהום זיהומים בפלזמה הנגרם על ידי מצבים מקומיים לקצה, או ELMs. חלק מהאירועים המהירים ועתירי האנרגיה הללו, הדומים להתלקחויות סולריות, עלולים לפגוע או להרוס רכיבי כלי שיט כגון לוחות מפנה. תדירות ה-ELMs, הפעמים בשנייה שמתרחשים אירועים אלו, היא אינדיקטור לכמות האנרגיה המשתחררת מהפלזמה לקיר. ELMs בתדירות גבוהה יכולים לשחרר כמויות נמוכות של פלזמה לכל התפרצות, אך אם ה-ELMs הם פחות תכופים, הפלזמה והאנרגיה המשתחררות בכל התפרצות גבוהה, עם סבירות גבוהה יותר לנזק. מחקר אחרון בחן דרכים לשלוט ולהגדיל את התדירות של ELMs, כגון הזרקת גלולה או שדות מגנטיים נוספים בגדלים קטנים מאוד.

הצוות של אונטרברג מצא, כפי שציפו, שהרחק של הטונגסטן מנקודת הפגיעה בשטף גבוה הגדיל מאוד את ההסתברות לזיהום כאשר הם נחשפים ל-ELMs בתדר נמוך שיש להם תכולת אנרגיה גבוהה יותר ומגע פני השטח לכל אירוע. בנוסף, הצוות מצא שאזור היעד המרחיק הזה היה מועד יותר לזיהום ה-SOL למרות שבדרך כלל יש לו שטפים נמוכים יותר מנקודת הפגיעה. תוצאות אלו לכאורה המנוגדות לאינטואיציה מאושרות על ידי מאמצי מודלים מתמשכים של מפנה ביחס לפרויקט זה ולניסויים עתידיים ב-DIII-D.

בפרויקט זה השתתפו צוות מומחים מכל צפון אמריקה, כולל משתפי פעולה ממעבדת הפיסיקה הפלזמה של פרינסטון, המעבדה הלאומית לורנס ליברמור, המעבדות הלאומיות של Sandia, ORNL, General Atomics, אוניברסיטת אובורן, אוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו, אוניברסיטת טורונטו, אוניברסיטת טנסי-נוקסוויל, ואוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון, שכן היא סיפקה כלי משמעותי לחקר אינטראקציות פלזמה-חומר. משרד המדע של DOE (מדעי אנרגיה פיוז'ן) סיפק תמיכה במחקר.

הצוות פרסם מחקר מקוון מוקדם יותר השנה בכתב העתהיתוך גרעיני.

המחקר עשוי להועיל באופן מיידי ל-Joint European Torus, או JET, ו-ITER, שנמצאים כעת בבנייה בקדראצ'ה, צרפת, ששניהם משתמשים בשריון טונגסטן עבור המפנה.

"אבל אנחנו בוחנים דברים מעבר ל-ITER ו-JET - אנחנו בוחנים את כורי ההיתוך של העתיד", אמר אונטרברג. "איפה הכי כדאי לשים טונגסטן, ואיפה אסור לשים טונגסטן? המטרה הסופית שלנו היא לשריון את כורי ההיתוך שלנו, כשהם מגיעים, בצורה חכמה".

אונטרברג אמר כי קבוצת האיזוטופים היציבים הייחודית של ORNL, שפיתחה ובדקה את ציפוי האיזוטופים המועשר לפני ששמה אותו בצורה שימושית לניסוי, אפשרה את המחקר. האיזוטופ הזה לא היה זמין בשום מקום מלבד המרכז הלאומי לפיתוח איזוטופים ב-ORNL, ששומר על מאגר של כמעט כל אלמנט מופרד איזוטופית, הוא אמר.

"ל-ORNL יש מומחיות ייחודית ורצונות מיוחדים לסוג זה של מחקר", אמר אונטרברג. "יש לנו מורשת ארוכה של פיתוח איזוטופים ושימוש בהם בכל מיני מחקרים ביישומים שונים ברחבי העולם."

בנוסף, ORNL מנהלת את ITER האמריקאית.

לאחר מכן, הצוות יבדוק כיצד הכנסת טונגסטן למפנים בצורת שונה עשויה להשפיע על זיהום הליבה. גיאומטריות מסיטות שונות יכולות למזער את ההשפעות של אינטראקציות פלזמה-חומר על פלזמת הליבה, הם חשבו. הכרת הצורה הטובה ביותר עבור מפנה - רכיב הכרחי עבור מכשיר פלזמה מוגבל מגנטי - תקרב את המדענים צעד אחד יותר לכור פלזמה בר-קיימא.

"אם אנחנו, כחברה, אומרים שאנחנו רוצים שאנרגיה גרעינית תתרחש, ואנחנו רוצים לעבור לשלב הבא", אמר אונטרברג, "היתוך יהיה הגביע הקדוש".