მომავალი ბირთვული შერწყმის ენერგეტიკული რეაქტორების შიგნით იქნება დედამიწაზე ოდესმე წარმოქმნილი ყველაზე მკაცრი გარემო. რა არის საკმარისად ძლიერი იმისთვის, რომ დაიცვას შერწყმის რეაქტორის შიგნით პლაზმური სითბოს ნაკადები, რომლებიც დედამიწის ატმოსფეროში შემავალი კოსმოსური შატლების მსგავსია?

ORNL-ის მკვლევარებმა გამოიყენეს ბუნებრივი ვოლფრამი (ყვითელი) და გამდიდრებული ვოლფრამი (ნარინჯისფერი) ვოლფრამის ეროზიის, ტრანსპორტირებისა და დეპონირების დასაფიქსირებლად. ვოლფრამი არის წამყვანი ვარიანტი შერწყმის მოწყობილობის შიგნით ჯავშანტექნიკისთვის.

ზეკე უნტერბერგი და მისი გუნდი ენერგეტიკის დეპარტამენტის ოუკ რიჯის ეროვნულ ლაბორატორიაში ამჟამად მუშაობენ წამყვან კანდიდატთან: ვოლფრამი, რომელსაც აქვს ყველაზე მაღალი დნობის წერტილი და ყველაზე დაბალი ორთქლის წნევა ყველა ლითონზე პერიოდულ სისტემაზე, ასევე ძალიან მაღალი დაჭიმვის სიმტკიცე- თვისებები, რომლებიც შესაფერისს ხდის ბოროტად გამოყენებას ხანგრძლივი დროის განმავლობაში. ისინი ორიენტირებულნი არიან იმის გაგებაზე, თუ როგორ იმუშავებს ვოლფრამი შერწყმის რეაქტორში, მოწყობილობა, რომელიც ათბობს სინათლის ატომებს მზის ბირთვზე უფრო ცხელ ტემპერატურამდე, რათა ისინი შერწყმას და გამოყოფენ ენერგიას. წყალბადის გაზი შერწყმის რეაქტორში გარდაიქმნება წყალბადის პლაზმად - მატერიის მდგომარეობა, რომელიც შედგება ნაწილობრივ იონიზებული აირისგან - რომელიც შემდეგ შემოიფარგლება მცირე რეგიონში ძლიერი მაგნიტური ველებით ან ლაზერით.

”თქვენ არ გსურთ თქვენს რეაქტორში ისეთი რამის ჩასმა, რომელიც მხოლოდ რამდენიმე დღე გაგრძელდება”, - თქვა უნტერბერგმა, ORNL-ის Fusion ენერგიის განყოფილების უფროსმა მკვლევარმა მეცნიერმა. „გინდა გქონდეს საკმარისი სიცოცხლე. ჩვენ ვათავსებთ ვოლფრამი იმ ადგილებში, სადაც ჩვენ ვვარაუდობთ, რომ იქნება ძალიან მაღალი პლაზმური დაბომბვა. ”

2016 წელს, უნტერბერგმა და გუნდმა დაიწყეს ექსპერიმენტების ჩატარება ტოკამაკში, შერწყმის რეაქტორში, რომელიც იყენებს მაგნიტურ ველებს პლაზმური რგოლის შესანახად, DIII-D National Fusion Facility-ში, DOE მეცნიერების ოფისის მომხმარებელთა დაწესებულებაში სან დიეგოში. მათ სურდათ გაეგოთ, შეიძლებოდა თუ არა ვოლფრამის გამოყენება ტოკამაკის ვაკუუმ კამერის ჯავშანტექნიკისთვის - იცავდა მას პლაზმის ზემოქმედებით გამოწვეული სწრაფი განადგურებისგან - თავად პლაზმის ძლიერ დაბინძურების გარეშე. ამ დაბინძურებას, თუ საკმარისად არ მართავდნენ, შეიძლება საბოლოოდ ჩაქრეს შერწყმის რეაქცია.

„ჩვენ ვცდილობდით განვსაზღვროთ კამერის რომელი უბნები იქნებოდა განსაკუთრებით ცუდი: სადაც ვოლფრამი წარმოქმნიდა მინარევებს, რომლებსაც შეუძლიათ პლაზმის დაბინძურება“, - თქვა უნტერბერგმა.

ამის გასარკვევად, მკვლევარებმა გამოიყენეს ვოლფრამის გამდიდრებული იზოტოპი, W-182, შეუცვლელ იზოტოპთან ერთად, რათა დაენახათ ვოლფრამის ეროზიის, ტრანსპორტირებისა და განმეორებითი დეპონირება დივერტორის შიგნიდან. ვოლფრამის მოძრაობას დივერტორის შიგნით - ვაკუუმის კამერის არეზე, რომელიც შექმნილია პლაზმისა და მინარევების გადასატანად - მათ უფრო მკაფიო წარმოდგენა მისცა, თუ როგორ იშლება ის ტოკამაკის ზედაპირებიდან და ურთიერთქმედებს პლაზმასთან. გამდიდრებულ ვოლფრამის იზოტოპს აქვს იგივე ფიზიკური და ქიმიური თვისებები, როგორც ჩვეულებრივი ვოლფრამი. DIII-D-ზე ჩატარებულ ექსპერიმენტებში გამოიყენეს ლითონის პატარა ჩანართები, რომლებიც დაფარული იყო გამდიდრებული იზოტოპით, რომელიც მოთავსებულია ყველაზე მაღალი სითბოს ნაკადის ზონასთან ახლოს, მაგრამ არა ყველაზე მაღალი სითბოს ნაკადის ზონასთან. ცალ-ცალკე, დივერტორულ რეგიონში ყველაზე მაღალი ნაკადით, დარტყმის წერტილით, მკვლევარებმა გამოიყენეს ჩანართები შეუცვლელი იზოტოპით. DIII-D კამერის დარჩენილი ნაწილი გრაფიტით არის დაჯავშნული.

ამ პარამეტრმა მკვლევარებს საშუალება მისცა შეეგროვებინათ ნიმუშები სპეციალურ ზონდებზე, რომლებიც დროებით იყო ჩასმული კამერაში ჭურჭლის ჯავშანში მინარევების ნაკადის გასაზომად, რაც მათ უფრო ზუსტ წარმოდგენას მისცემდა იმის შესახებ, თუ სად გაჟონა ვოლფრამი დივერტორიდან კამერაში. წარმოიშვა.

”გამდიდრებული იზოტოპის გამოყენებამ მოგვცა უნიკალური თითის ანაბეჭდი”, - თქვა უნტერბერგმა.

ეს იყო პირველი ასეთი ექსპერიმენტი, რომელიც ჩატარდა შერწყმის მოწყობილობაში. ერთ-ერთი მიზანი იყო ამ მასალების საუკეთესო მასალებისა და მდებარეობის დადგენა კამერის ჯავშანტექნიკისთვის, იმავდროულად, შენარჩუნებულიყო მინარევები, რომლებიც გამოწვეული იყო პლაზმური მასალის ურთიერთქმედებით, რომელიც ძირითადად შეიცავს დივერტორს და არ დაბინძურებულიყო მაგნიტით შემოფარგლული ბირთვის პლაზმა, რომელიც გამოიყენება შერწყმის შესაქმნელად.

დივერტორების დიზაინსა და მუშაობასთან დაკავშირებული ერთ-ერთი გართულებაა პლაზმაში მინარევით დაბინძურება, რომელიც გამოწვეულია კიდეზე ლოკალიზებული რეჟიმით, ანუ ELM-ებით. ზოგიერთ ამ სწრაფ, მაღალი ენერგიულ მოვლენას, მზის ანთებების მსგავსი, შეუძლია დააზიანოს ან გაანადგუროს გემის კომპონენტები, როგორიცაა დივერტორის ფირფიტები. ELM-ების სიხშირე, რამდენჯერ ხდება წამში ეს მოვლენები, არის პლაზმიდან კედელზე გამოთავისუფლებული ენერგიის რაოდენობის მაჩვენებელი. მაღალი სიხშირის ELM-ებს შეუძლიათ გამოუშვან პლაზმის მცირე რაოდენობა თითო ამოფრქვევაზე, მაგრამ თუ ELM-ები ნაკლებად ხშირია, პლაზმა და ენერგია გამოთავისუფლებული ამოფრქვევისთვის მაღალია, დაზიანების დიდი ალბათობით. უახლესმა კვლევამ შეისწავლა ELM-ების კონტროლისა და გაზრდის გზები, როგორიცაა გრანულების ინექცია ან დამატებითი მაგნიტური ველები ძალიან მცირე მასშტაბებით.

უნტერბერგის გუნდმა აღმოაჩინა, როგორც ისინი ელოდნენ, რომ ვოლფრამის შორს ყოფნა მაღალი ნაკადის დარტყმის წერტილიდან მნიშვნელოვნად ზრდის დაბინძურების ალბათობას დაბალი სიხშირის ELM-ების ზემოქმედებისას, რომლებსაც აქვთ უფრო მაღალი ენერგეტიკული შემცველობა და ზედაპირული კონტაქტი თითოეულ მოვლენაზე. გარდა ამისა, გუნდმა აღმოაჩინა, რომ გადამყვანის შორს სამიზნე რეგიონი უფრო მიდრეკილია SOL-ის დაბინძურებისკენ, მიუხედავად იმისა, რომ მას ჩვეულებრივ აქვს უფრო დაბალი ნაკადი ვიდრე დარტყმის წერტილი. ეს ერთი შეხედვით საწინააღმდეგო შედეგები დასტურდება ამ პროექტთან დაკავშირებით დივერტორის მოდელირების მიმდინარე მცდელობებით და DIII-D-ზე მომავალი ექსპერიმენტებით.

ამ პროექტში ჩართული იყო ექსპერტთა გუნდი ჩრდილოეთ ამერიკიდან, მათ შორის თანამშრომლები პრინსტონის პლაზმური ფიზიკის ლაბორატორიიდან, ლოურენს ლივერმორის ეროვნული ლაბორატორიიდან, სანდიას ეროვნული ლაბორატორიებიდან, ORNL, გენერალური ატომები, ობურნის უნივერსიტეტი, კალიფორნიის უნივერსიტეტი სან დიეგოში, ტორონტოს უნივერსიტეტი, ტენესის უნივერსიტეტი - ნოქსვილი და ვისკონსინ-მედისონის უნივერსიტეტი, რადგან ის მნიშვნელოვანი ინსტრუმენტი იყო პლაზმური მასალის ურთიერთქმედების კვლევა. DOE-ს მეცნიერების ოფისმა (Fusion Energy Sciences) დახმარება გაუწია კვლევას.

გუნდმა გამოაქვეყნა კვლევა ონლაინ ამ წლის დასაწყისში ჟურნალშიბირთვული შერწყმა.

კვლევამ შეიძლება დაუყოვნებლივ ისარგებლოს ერთობლივი ევროპული Torus, ან JET, და ITER, რომელიც ახლა მშენებარეა კადარაში, საფრანგეთი, რომლებიც იყენებენ ვოლფრამის ჯავშანს დივერტორისთვის.

”მაგრამ ჩვენ ვუყურებთ ITER-ისა და JET-ის მიღმა არსებულ საკითხებს - ჩვენ ვუყურებთ მომავლის შერწყმის რეაქტორებს”, - თქვა უნტერბერგმა. „სად ჯობია ვოლფრამის ჩასმა და სად არ უნდა ჩაყარო? ჩვენი საბოლოო მიზანია ჩვენი შერწყმის რეაქტორების ჯავშანტექნიკა, როდესაც ისინი მოვლენ, ჭკვიანურად. ”

უნტერბერგმა თქვა, რომ ORNL-ის უნიკალური სტაბილური იზოტოპების ჯგუფმა, რომელმაც შეიმუშავა და გამოსცადა გამდიდრებული იზოტოპური საფარი ექსპერიმენტისთვის გამოსადეგ ფორმაში ჩასვლამდე, შესაძლებელი გახადა კვლევა. ეს იზოტოპი არ იქნებოდა არსად ხელმისაწვდომი, გარდა ORNL-ის იზოტოპების განვითარების ეროვნული ცენტრიდან, რომელიც ინახავს იზოტოპიურად გამოყოფილი თითქმის ყველა ელემენტის მარაგს, თქვა მან.

”ORNL-ს აქვს უნიკალური გამოცდილება და განსაკუთრებული სურვილები ამ ტიპის კვლევისთვის,” - თქვა უნტერბერგმა. ”ჩვენ გვაქვს იზოტოპების შემუშავების და მათი გამოყენების დიდი მემკვიდრეობა ყველა სახის კვლევაში, სხვადასხვა აპლიკაციებში მთელს მსოფლიოში.”

გარდა ამისა, ORNL მართავს US ITER-ს.

შემდეგი, გუნდი შეისწავლის, თუ როგორ შეიძლება გავლენა იქონიოს ვოლფრამის სხვადასხვა ფორმის დივერტორებში ჩასმა ბირთვის დაბინძურებაზე. მათ ვარაუდობენ, რომ დივერტორის სხვადასხვა გეომეტრიას შეუძლია შეამციროს პლაზმური მასალის ურთიერთქმედების ეფექტი ბირთვის პლაზმაზე. დივერტორის საუკეთესო ფორმის ცოდნა - აუცილებელი კომპონენტი მაგნიტური პლაზმური მოწყობილობისთვის - მეცნიერებს ერთი ნაბიჯით მიუახლოვდება სიცოცხლისუნარიან პლაზმურ რეაქტორს.

”თუ ჩვენ, როგორც საზოგადოება, ვიტყვით, რომ გვინდა ბირთვული ენერგია მოხდეს და გვინდა გადავიდეთ შემდეგ ეტაპზე,” - თქვა უნტერბერგმა, ”შერწყმა იქნება წმინდა გრაალი.”