Болашақ ядролық синтез энергиясы реакторларының іші жер бетінде бұрын-соңды шығарылған ең қатал орталардың бірі болады. Термоядролық реактордың ішін Жер атмосферасына қайта кіретін ғарыш кемелеріне ұқсас плазмалық жылу ағындарынан қорғау үшін жеткілікті күшті не бар?

ORNL зерттеушілері вольфрамның эрозиясын, тасымалдануын және қайта тұнбасын бақылау үшін табиғи вольфрамды (сары) және байытылған вольфрамды (қызғылт сары) пайдаланды. Вольфрам - термоядролық құрылғының ішін брондаудың жетекші нұсқасы.

Зеке Унтерберг және оның Энергетика департаментінің Oak Ridge ұлттық зертханасындағы командасы қазіргі уақытта жетекші кандидатпен жұмыс істеуде: периодтық кестедегі барлық металдардың ең жоғары балқу температурасы және ең төменгі бу қысымы бар вольфрам, сондай-ақ өте жоғары созылу беріктігі— ұзақ уақыт бойы теріс пайдалану үшін қолайлы ететін қасиеттер. Олар вольфрамның термоядролық реактордың ішінде қалай жұмыс істейтінін түсінуге бағытталған, бұл жарық атомдарын күн ядросынан жоғарырақ температураға дейін қыздыратын құрылғы, осылайша олар балқытып, энергияны шығарады. Термоядролық реактордағы сутегі газы сутегі плазмасына айналады - ішінара иондалған газдан тұратын зат күйі - кейін шағын аймақта күшті магнит өрістерімен немесе лазерлермен шектеледі.

«Сіз өзіңіздің реакторыңызға бірнеше күн ғана жұмыс істейтін бірдеңе салғыңыз келмейді», - деді Унтерберг, ORNL Fusion Energy Division бөлімінің аға ғылыми қызметкері. «Сіз жеткілікті өмір сүргіңіз келеді. Біз вольфрамды өте жоғары плазмалық бомбалау болады деп күтетін жерлерге қоямыз».

2016 жылы Унтерберг пен топ Сан-Диегодағы DOE Office of Science пайдаланушы қондырғысы, DIII-D ұлттық синтез қондырғысында плазма сақинасын ұстау үшін магнит өрістерін пайдаланатын токамак термоядролық реакторында тәжірибелер жүргізе бастады. Олар вольфрамды токамактың вакуумдық камерасын броньдау үшін, яғни оны плазманың әсерінен тез бұзылудан қорғау үшін - плазманың өзін қатты ластамай-ақ қолдануға болатынын білгісі келді. Бұл ластану, егер жеткілікті түрде басқарылмаса, сайып келгенде, синтез реакциясын өшіруі мүмкін.

«Біз камераның қандай аймақтары әсіресе нашар болатынын анықтауға тырыстық: вольфрам плазманы ластайтын қоспаларды тудыруы мүмкін», - деді Унтерберг.

Мұны анықтау үшін зерттеушілер вольфрамның W-182 байытылған изотопын модификацияланбаған изотоппен бірге вольфрамның эрозиясын, тасымалдануын және дивертор ішінен қайта тұнбасын бақылау үшін пайдаланды. Дивертор ішіндегі вольфрамның қозғалысын қарау - плазма мен қоспаларды бұруға арналған вакуумдық камераның ішіндегі аймақ - оларға оның токамак ішіндегі беттерден қалай эрозияға ұшырайтыны және плазмамен әрекеттесетіні туралы нақтырақ сурет берді. Байытылған вольфрам изотопы кәдімгі вольфрам сияқты физикалық және химиялық қасиеттерге ие. DIII-D тәжірибелерінде, әдетте, дивертордың алыс-мақсатты аймағы деп аталатын ыдыстағы ең жоғары жылу ағыны аймағына жақын емес, жақын орналастырылған байытылған изотоппен қапталған шағын металл кірістірулер пайдаланылды. Сонымен қатар, ең жоғары ағындар, соғу нүктесі бар диверторлық аймақта зерттеушілер модификацияланбаған изотопы бар кірістірулерді пайдаланды. DIII-D камерасының қалған бөлігі графитпен брондалған.

Бұл қондырғы зерттеушілерге ыдыстың сауытына және одан шығатын қоспалар ағынын өлшеу үшін камераға уақытша енгізілген арнайы зондтарда үлгілерді жинауға мүмкіндік берді, бұл оларға дивертордан камераға ағып кеткен вольфрамның қай жерде болғаны туралы дәлірек түсінік бере алады. пайда болды.

«Байытылған изотопты пайдалану бізге бірегей саусақ ізін берді», - деді Унтерберг.

Бұл термоядролық қондырғыда жасалған алғашқы тәжірибе болды. Мақсаттардың бірі плазма-материалдың өзара әрекеттесуінен туындаған қоспаларды сақтай отырып және синтезді өндіру үшін пайдаланылатын магнитпен шектелген негізгі плазманы ластамай, камералық броньдау үшін ең жақсы материалдарды және осы материалдардың орнын анықтау болды.

Диверторлардың дизайны мен жұмысындағы қиындықтардың бірі - шеткі локализацияланған режимдер немесе ELM арқылы туындаған плазмадағы қоспалардың ластануы. Бұл жылдам, жоғары энергиялы оқиғалардың кейбірі, күн алауларына ұқсас, бұрғылау тақталары сияқты кеме құрамдастарын зақымдауы немесе бұзуы мүмкін. ELM жиілігі, бұл оқиғалардың секундына болатын уақыты плазмадан қабырғаға шығарылатын энергия мөлшерінің көрсеткіші болып табылады. Жоғары жиілікті ELM бір атқылау кезінде аз мөлшерде плазманы шығаруы мүмкін, бірақ егер ELM азырақ болса, атқылау кезінде бөлінетін плазма мен энергия жоғары, зақымдалу ықтималдығы жоғары. Жақында жүргізілген зерттеулер түйіршіктер инъекциясы немесе өте аз мөлшердегі қосымша магнит өрістері сияқты ELM жиілігін бақылау және арттыру жолдарын қарастырды.

Унтерберг тобы, олар күткендей, вольфрамның жоғары ағынның соғу нүктесінен алыс болуы, энергия мазмұны жоғары және әрбір оқиғаның бетімен байланысы бар төмен жиілікті ELM әсер еткенде ластану ықтималдығын айтарлықтай арттыратынын анықтады. Сонымен қатар, топ бұл бағыттаушы алыс аймақтың әдетте соққы нүктесінен төмен ағындарға ие болса да, SOL ластануына бейім екенін анықтады. Қарама-қарсы болып көрінетін бұл нәтижелер осы жобаға қатысты диверторды модельдеудің үздіксіз әрекеттерімен және DIII-D бойынша болашақ тәжірибелермен расталады.

Бұл жобаға Солтүстік Американың түкпір-түкпірінен келген сарапшылар тобы, соның ішінде Принстон плазма физикасы зертханасы, Лоуренс Ливермор ұлттық зертханасы, Sandia ұлттық зертханалары, ORNL, General Atomics, Оберн университеті, Сан-Диегодағы Калифорния университеті, Торонто университеті, Теннесси университеті — Ноксвилл және Висконсин-Мэдисон университеттері, өйткені ол плазмалық материал үшін маңызды құрал болды. өзара әрекеттесуін зерттеу. DOE ғылым кеңсесі (Fusion Energy Sciences) зерттеуге қолдау көрсетті.

Топ журналда осы жылдың басында онлайн зерттеулерін жарияладыЯдролық синтез.

Зерттеу дереу Францияның Кадараш қаласында салынып жатқан Joint European Torus немесе JET және ITER-ге пайдасын тигізуі мүмкін, екеуі де дивертор үшін вольфрам броньын пайдаланады.

«Бірақ біз ITER және JET-тен тыс нәрселерді қарастырамыз - біз болашақтың синтездік реакторларына қараймыз», - деді Унтерберг. «Вольфрамды қайда қойған дұрыс және вольфрамды қайда қоймау керек? Біздің түпкі мақсатымыз – термоядролық реакторларды олар келгенде, ақылды түрде қаруландыру».

Унтерберг байытылған изотопты жабынды эксперимент үшін пайдалы пішінге қоймас бұрын жасап, сынаған ORNL бірегей Тұрақты изотоптар тобы зерттеуді мүмкін еткенін айтты. Бұл изотопты изотоптық түрде бөлінген әрбір дерлік элементтің қорын сақтайтын ORNL-дегі Ұлттық изотоптарды дамыту орталығынан басқа жерде табуға болатын еді, деді ол.

«ORNL зерттеудің бұл түріне ерекше тәжірибесі мен ерекше тілектеріне ие», - деді Унтерберг. «Бізде изотоптарды жасаудың және оларды бүкіл әлем бойынша әртүрлі қолданбалы зерттеулердің барлық түрлерінде пайдаланудың ұзақ мұрасы бар».

Сонымен қатар, ORNL US ITER-ді басқарады.

Әрі қарай, команда вольфрамды әртүрлі пішіндегі бұрғылауыштарға салу ядроның ластануына қалай әсер ететінін қарастырады. Дивертордың әртүрлі геометриялары плазма-материалдық өзара әрекеттесулердің негізгі плазмаға әсерін барынша азайтуы мүмкін, олар теориялық түрде тұжырымдады. Дивертордың ең жақсы пішінін білу — магниттік шектелген плазмалық құрылғы үшін қажетті компонент — ғалымдарды өміршең плазмалық реакторға бір қадам жақындатады.

«Егер біз қоғам ретінде ядролық энергияның болғанын қалаймыз десек және келесі кезеңге көшкіміз келсе, - деді Унтерберг, - біріктіру қасиетті қаңылтыр болар еді».