Ing njero reaktor energi fusi nuklir ing mangsa ngarep bakal dadi salah sawijining lingkungan paling keras sing tau diprodhuksi ing Bumi. Apa sing cukup kuwat kanggo nglindhungi bagian jero reaktor fusi saka fluks panas sing diprodhuksi plasma sing padha karo pesawat ulang-alik sing mlebu maneh ing atmosfer bumi?

Peneliti ORNL nggunakake tungsten alam (kuning) lan tungsten sing diperkaya (oranye) kanggo nglacak erosi, transportasi lan redeposisi tungsten. Tungsten minangka pilihan utama kanggo waja ing njero piranti fusi.

Zeke Unterberg lan tim ing Laboratorium Nasional Oak Ridge Departemen Energi saiki nggarap calon utama: tungsten, sing nduweni titik lebur paling dhuwur lan tekanan uap paling murah ing kabeh logam ing tabel périodik, uga kekuatan tarik sing dhuwur banget— Properti sing cocog kanggo njupuk penyalahgunaan kanggo wektu sing suwe. Dheweke fokus kanggo mangerteni carane tungsten bisa digunakake ing reaktor fusi, piranti sing ngetokake atom cahya nganti suhu luwih panas tinimbang inti srengenge supaya bisa nggabung lan ngeculake energi. Gas hidrogen ing reaktor fusi diowahi dadi plasma hidrogen—kahanan materi sing kasusun saka gas terionisasi sebagian—sing banjur dikurung ing wilayah cilik kanthi medan magnet utawa laser sing kuwat.

"Sampeyan ora pengin nglebokake apa wae ing reaktor sing mung tahan sawetara dina," ujare Unterberg, ilmuwan riset senior ing Divisi Energi Fusion ORNL. "Sampeyan pengin duwe umur sing cukup. Kita nyelehake tungsten ing wilayah sing kita ngarepake bakal ana bom plasma sing dhuwur banget.

Ing taun 2016, Unterberg lan tim wiwit nindakake eksperimen ing tokamak, reaktor fusi sing nggunakake medan magnet kanggo ngemot cincin plasma, ing Fasilitas Fusion Nasional DIII-D, fasilitas pangguna DOE Office of Science ing San Diego. Padha pengin ngerti apa tungsten bisa digunakake kanggo waja kamar vakum tokamak-nglindhungi saka karusakan cepet disebabake efek saka plasma-tanpa akeh contaminating plasma dhewe. Kontaminasi iki, yen ora dikelola kanthi cukup, bisa mateni reaksi fusi.

"We are nyoba kanggo nemtokake apa wilayah ing kamar bakal utamané ala: ngendi tungsten paling kamungkinan kanggo generate impurities sing bisa contaminate plasma," Unterberg ngandika.

Kanggo nemokake iku, peneliti nggunakake isotop enriched saka tungsten, W-182, bebarengan karo isotop unmodified, kanggo nglacak erosi, transportasi lan redeposition saka tungsten saka ing divertor. Nggoleki gerakan tungsten ing divertor - area ing ruang vakum sing dirancang kanggo ngalihake plasma lan impurities - menehi gambaran sing luwih jelas babagan carane erodes saka permukaan ing tokamak lan interaksi karo plasma. Isotop tungsten sing diperkaya nduweni sifat fisik lan kimia sing padha karo tungsten biasa. Eksperimen ing DIII-D nggunakake sisipan logam cilik sing dilapisi karo isotop sing diperkaya sing diselehake ing cedhak, nanging ora ing, zona fluks panas paling dhuwur, area ing prau biasane disebut wilayah target adoh divertor. Kapisah, ing wilayah divertor kanthi fluks paling dhuwur, titik serangan, peneliti nggunakake sisipan kanthi isotop sing ora dimodifikasi. Sisa kamar DIII-D dilapisi grafit.

Persiyapan iki ngidini para peneliti ngumpulake conto ing probe khusus sing dilebokake sementara ing kamar kanggo ngukur aliran impurity menyang lan saka waja prau, sing bisa menehi ide sing luwih tepat babagan endi tungsten sing wis bocor saka divertor menyang kamar kasebut. asale.

"Nganggo isotop sing diperkaya menehi sidik jari sing unik," ujare Unterberg.

Iki minangka eksperimen pisanan sing ditindakake ing piranti fusi. Siji goal ana kanggo nemtokake bahan paling apik lan lokasi kanggo bahan iki kanggo armoring kamar, nalika tetep impurities disebabake interaksi plasma-materi umumé sing kanggo divertor lan ora contaminating plasma inti magnet-dibuwang digunakake kanggo gawé fusi.

Salah sawijining komplikasi karo desain lan operasi divertor yaiku kontaminasi najis ing plasma sing disebabake dening mode pinggiran lokal, utawa ELM. Sawetara acara cepet lan energi dhuwur iki, mirip karo suar surya, bisa ngrusak utawa ngrusak komponen prau kayata piring divertor. Frekuensi ELM, kaping per detik kedadeyan kasebut, minangka indikator jumlah energi sing dibebasake saka plasma menyang tembok. ELM frekuensi dhuwur bisa ngeculake jumlah plasma sing sithik saben jeblugan, nanging yen ELM kurang kerep, plasma lan energi sing dibebasake saben jeblugan dhuwur, kanthi kemungkinan karusakan luwih gedhe. Riset anyar wis nyinaoni cara kanggo ngontrol lan nambah frekuensi ELM, kayata injeksi pelet utawa medan magnet tambahan kanthi magnitudo sing cilik banget.

Tim Unterberg nemokake, kaya sing dikarepake, yen duwe tungsten adoh saka titik serangan fluks dhuwur banget nambah kemungkinan kontaminasi nalika kena ELM frekuensi rendah sing duwe konten energi lan kontak permukaan sing luwih dhuwur saben acara. Kajaba iku, tim kasebut nemokake manawa wilayah target adoh divertor iki luwih rentan kanggo kontaminasi SOL sanajan umume duwe fluks sing luwih murah tinimbang titik serangan. Iki asil ketoke counterintuitive lagi dikonfirmasi dening aktif efforts modeling divertor ing hubungan kanggo project iki lan nyobi mangsa ing DIII-D.

Proyek iki melu tim ahli saka Amerika Utara, kalebu kolaborator saka Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, University of California at San Diego, University of Toronto, Universitas Tennessee-Knoxville, lan Universitas Wisconsin-Madison, amarga nyedhiyakake alat sing penting kanggo riset interaksi materi plasma. Kantor Ilmu (Fusion Energy Sciences) DOE nyedhiyakake dhukungan kanggo sinau kasebut.

Tim kasebut nerbitake riset online ing awal taun iki ing jurnal kasebutFusion Nuklir.

Riset kasebut bisa langsung entuk manfaat saka Joint European Torus, utawa JET, lan ITER, sing saiki lagi dibangun ing Cadarache, Prancis, sing loro-lorone nggunakake waja tungsten kanggo divertor.

"Nanging kita ndeleng perkara sing ngluwihi ITER lan JET-kita ndeleng reaktor fusi ing mangsa ngarep," ujare Unterberg. "Endi sing paling apik kanggo nyelehake tungsten, lan ing ngendi sampeyan ora sijine tungsten? Tujuan utama kita yaiku kanggo nglengkapi reaktor fusi kita, nalika teka, kanthi cara sing cerdas.

Unterberg ujar manawa Grup Isotop Stabil unik ORNL, sing ngembangake lan nguji lapisan isotop sing diperkaya sadurunge dilebokake ing wangun sing migunani kanggo eksperimen, nggawe riset bisa ditindakake. Isotop kasebut ora bakal kasedhiya ing endi wae, nanging saka Pusat Pengembangan Isotop Nasional ing ORNL, sing njaga stok meh kabeh unsur sing dipisahake kanthi isotop, ujare.

"ORNL duwe keahlian unik lan kepinginan khusus kanggo riset jinis iki," ujare Unterberg. "Kita duwe warisan sing dawa kanggo ngembangake isotop lan nggunakake ing kabeh jinis riset ing macem-macem aplikasi ing saindenging jagad."

Kajaba iku, ORNL ngatur US ITER.

Sabanjure, tim bakal ndeleng carane nglebokake tungsten menyang divertor sing beda-beda bisa mengaruhi kontaminasi inti. Geometri divertor sing beda-beda bisa nyuda efek interaksi materi plasma ing plasma inti, miturut teori kasebut. Ngerti wangun paling apik kanggo divertor-komponen sing perlu kanggo piranti plasma magnetik-dikurung-bakal sijine ilmuwan siji langkah nyedhaki reaktor plasma sregep.

"Yen kita, minangka masyarakat, ujar manawa kita pengin energi nuklir kedadeyan, lan kita pengin pindhah menyang tahap sabanjure," ujare Unterberg, "fusi bakal dadi grail suci."