미래의 핵융합 에너지 원자로의 내부는 지구상에서 가장 가혹한 환경 중 하나가 될 것입니다. 지구 대기권으로 재진입하는 우주왕복선과 유사한 플라즈마 생성 열유속으로부터 핵융합로 내부를 보호할 만큼 강력한 것은 무엇일까요?

ORNL 연구원들은 천연 텅스텐(노란색)과 농축 텅스텐(주황색)을 사용하여 텅스텐의 침식, 이동 및 재침전을 추적했습니다. 텅스텐은 핵융합 장치 내부를 보호하는 주요 옵션입니다.

에너지부 오크리지 국립연구소(Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory)의 Zeke Unterberg와 그의 팀은 현재 유력한 후보인 텅스텐을 연구하고 있습니다. 텅스텐은 주기율표의 모든 금속 중 가장 높은 융점과 가장 낮은 증기압은 물론 매우 높은 인장 강도를 갖고 있습니다. 장기간 남용하는 데 적합한 특성입니다. 그들은 가벼운 원자를 태양의 핵보다 더 뜨거운 온도로 가열하여 융합하고 에너지를 방출하는 장치인 핵융합로 내부에서 텅스텐이 어떻게 작동하는지 이해하는 데 중점을 두고 있습니다. 핵융합로의 수소 가스는 부분적으로 이온화된 가스로 구성된 물질 상태인 수소 플라즈마로 변환된 후 강한 자기장이나 레이저에 의해 작은 영역에 갇히게 됩니다.

ORNL 핵융합 에너지 부문 선임 연구 과학자인 Unterberg는 “이틀 동안만 지속되는 원자로에 무언가를 넣고 싶지는 않을 것입니다.”라고 말했습니다. “당신은 충분한 수명을 갖고 싶어합니다. 우리는 플라즈마 폭격이 매우 높을 것으로 예상되는 지역에 텅스텐을 배치했습니다.”

2016년에 Unterberg와 팀은 샌디에고에 있는 DOE Office of Science 사용자 시설인 DIII-D 국가 핵융합 시설에서 자기장을 사용하여 플라즈마 고리를 포함하는 핵융합로인 토카막에서 실험을 시작했습니다. 그들은 플라즈마 자체를 심하게 오염시키지 않고 토카막의 진공 챔버를 보호하여 플라즈마 효과로 인한 급속한 파괴로부터 보호하는 데 텅스텐을 사용할 수 있는지 알고 싶었습니다. 이러한 오염을 충분히 관리하지 않으면 궁극적으로 핵융합 반응이 꺼질 수 있습니다.

Unterberg는 "우리는 챔버의 어떤 부분이 특히 나쁜지 확인하려고 노력했습니다. 즉, 텅스텐이 플라즈마를 오염시킬 수 있는 불순물을 생성할 가능성이 가장 높은 부분"이라고 말했습니다.

이를 발견하기 위해 연구원들은 수정되지 않은 동위원소와 함께 농축된 텅스텐 동위원소인 W-182를 사용하여 전환기 내에서 텅스텐의 침식, 이동 및 재침전을 추적했습니다. 전환기(플라즈마와 불순물의 전환을 위해 설계된 진공 챔버 내의 영역) 내에서 텅스텐의 움직임을 살펴보면 텅스텐이 토카막 내부 표면에서 어떻게 침식되고 플라즈마와 상호 작용하는지 더 명확하게 알 수 있습니다. 농축 텅스텐 동위원소는 일반 텅스텐과 동일한 물리적, 화학적 특성을 가지고 있습니다. DIII-D의 실험에서는 일반적으로 전환기 원거리 표적 영역이라고 불리는 용기 내 영역인 가장 높은 열 유속 영역에 가깝지만 근처에 배치된 농축 동위원소로 코팅된 작은 금속 삽입물을 사용했습니다. 이와 별도로 연구자들은 플럭스가 가장 높은 방향전환 영역인 타격점에서 수정되지 않은 동위원소가 있는 삽입물을 사용했습니다. DIII-D 챔버의 나머지 부분은 흑연으로 덮여 있습니다.

이 설정을 통해 연구원들은 용기 장갑 사이로 유입되는 불순물 흐름을 측정하기 위해 챔버에 일시적으로 삽입된 특수 프로브에서 샘플을 수집할 수 있었으며, 이를 통해 전환기에서 챔버로 누출된 텅스텐이 어디에 있었는지 더 정확하게 알 수 있었습니다. 유래.

"풍부한 동위원소를 사용하면 우리에게 독특한 지문이 생겼습니다"라고 Unterberg는 말했습니다.

이는 핵융합 장치에서 수행된 최초의 실험이었습니다. 한 가지 목표는 플라즈마-재료 상호 작용으로 인해 발생하는 불순물을 전환기에 크게 포함시키고 핵융합을 생성하는 데 사용되는 자석으로 둘러싸인 코어 플라즈마를 오염시키지 않으면서 챔버 장갑을 위한 이러한 재료에 대한 최상의 재료와 위치를 결정하는 것이었습니다.

전환기 설계 및 작동과 관련된 한 가지 복잡한 문제는 ELM(Edge Localized Mode)으로 인해 발생하는 플라즈마의 불순물 오염입니다. 태양 플레어와 유사한 이러한 빠르고 고에너지 현상 중 일부는 전환판과 같은 선박 구성 요소를 손상시키거나 파괴할 수 있습니다. ELM의 빈도, 즉 이러한 이벤트가 발생하는 초당 횟수는 플라즈마에서 벽으로 방출되는 에너지의 양을 나타내는 지표입니다. 고주파 ELM은 분출당 적은 양의 플라즈마를 방출할 수 있지만, ELM의 빈도가 낮을 ​​경우 분출당 방출되는 플라즈마 및 에너지가 높아 손상 가능성이 커집니다. 최근 연구에서는 펠릿 주입이나 매우 작은 크기의 추가 자기장과 같이 ELM의 주파수를 제어하고 높이는 방법을 조사했습니다.

Unterberg 팀은 예상대로 높은 플럭스 충격점에서 멀리 떨어진 텅스텐을 사용하면 이벤트당 더 높은 에너지 함량과 표면 접촉을 갖는 저주파 ELM에 노출될 때 오염 가능성이 크게 증가한다는 사실을 발견했습니다. 또한 팀은 이 전환기 원거리 표적 영역이 일반적으로 타격점보다 낮은 플럭스를 갖고 있음에도 불구하고 SOL을 오염시키기가 더 쉽다는 것을 발견했습니다. 이러한 겉보기에 반직관적인 결과는 이 프로젝트와 DIII-D에 대한 향후 실험과 관련된 지속적인 전환 모델링 노력을 통해 확인되고 있습니다.

이 프로젝트에는 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소, 로렌스 리버모어 국립 연구소, 샌디아 국립 연구소, ORNL, General Atomics, Auburn University, University of California at San Diego, the University of Toronto, 테네시 대학교-녹스빌 및 위스콘신 대학교-매디슨은 플라즈마-물질 상호 작용 연구에 중요한 도구를 제공했습니다. DOE의 과학 사무국(융합 에너지 과학)이 연구를 지원했습니다.

팀은 올해 초 저널에 온라인으로 연구 결과를 발표했습니다.핵융합.

이 연구는 현재 프랑스 Cadarache에서 건설 중인 Joint European Torus(JET)와 ITER에 즉시 도움이 될 수 있으며, 둘 다 전환 장치에 텅스텐 장갑을 사용합니다.

"그러나 우리는 ITER와 JET 너머의 것들을 보고 있습니다. 우리는 미래의 핵융합로를 보고 있습니다"라고 Unterberg는 말했습니다. “텅스텐을 어디에 넣는 것이 가장 좋고, 텅스텐을 넣지 말아야 할 곳은 어디입니까? 우리의 궁극적인 목표는 핵융합로가 도착할 때 현명한 방법으로 이를 보호하는 것입니다.”

Unterberg는 실험에 유용한 형태로 만들기 전에 농축 동위원소 코팅을 개발하고 테스트한 ORNL의 독특한 안정 동위원소 그룹이 이 연구를 가능하게 했다고 말했습니다. 그 동위원소는 동위원소적으로 분리된 거의 모든 원소의 비축물을 보관하고 있는 ORNL의 국립 동위원소 개발 센터가 아닌 다른 곳에서는 구할 수 없었을 것이라고 그는 말했습니다.

"ORNL은 이러한 유형의 연구에 대한 고유한 전문 지식과 특별한 욕구를 가지고 있습니다."라고 Unterberg는 말했습니다. "우리는 동위원소를 개발하고 전 세계 다양한 응용 분야의 모든 종류의 연구에 이를 사용하는 오랜 전통을 가지고 있습니다."

또한 ORNL은 US ITER를 관리합니다.

다음으로, 팀은 텅스텐을 다른 모양의 전환기에 넣는 것이 코어 오염에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 살펴볼 것입니다. 서로 다른 전환기 형상은 코어 플라즈마에 대한 플라즈마-재료 상호 작용의 영향을 최소화할 수 있다고 이론화되었습니다. 자기 구속 플라즈마 장치에 필요한 구성 요소인 전환기의 최상의 형태를 알면 과학자들은 실행 가능한 플라즈마 반응기에 한 걸음 더 가까워질 수 있습니다.

운터베르그는 “만약 우리 사회가 원자력 에너지가 일어나기를 원하고 다음 단계로 나아가고 싶다면 핵융합은 성배가 될 것”이라고 말했다.