D'Innere vun zukünfteg Nuklearfusiounsenergiereaktoren wäert zu den härtesten Ëmfeld sinn, déi jeemools op der Äerd produzéiert goufen. Wat ass staark genuch fir d'Innere vun engem Fusiounsreaktor vu Plasma-produzéierten Wärmefluxen ze schützen ähnlech wéi Space Shuttle déi an d'Äerdatmosphär erakommen?

ORNL Fuerscher hunn natierlech Wolfram (giel) a beräichert Wolfram (orange) benotzt fir d'Erosioun, den Transport an d'Redeposition vu Wolfram ze verfolgen. Wolfram ass déi féierend Optioun fir d'Innere vun engem Fusiounsapparat ze panzeréieren.

Zeke Unterberg a seng Equipe um Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory schaffe momentan mam Spëtzekandidat: Wolfram, deen den héchste Schmelzpunkt an den niddregsten Dampdrock vun alle Metaller op der Periodescher Tabell huet, souwéi eng ganz héich Spannkraaft - Eegeschaften déi et gutt gëeegent maachen fir Mëssbrauch fir laang Zäit ze huelen. Si fokusséiere sech op d'Verstoe wéi Wolfram an engem Fusiounsreaktor funktionnéiert, en Apparat deen Liichtatome bis op Temperaturen méi waarm erhëtzt wéi de Kär vum Sonne, sou datt se fusionéieren an Energie befreien. Waasserstoffgas an engem Fusiounsreaktor gëtt an Waasserstoffplasma ëmgewandelt - en Zoustand vun der Matière, déi aus deelweis ioniséiertem Gas besteet - deen dann an enger klenger Regioun vu staarke Magnéitfelder oder Laser agespaart gëtt.

"Dir wëllt net eppes an Ärem Reakter setzen, deen nëmmen e puer Deeg dauert", sot den Unterberg, e Senior Fuerscher Wëssenschaftler an der ORNL Fusion Energy Division. "Dir wëllt genuch Liewensdauer hunn. Mir setzen Wolfram a Beräicher wou mir erwaarden datt et ganz héich Plasma Bombardement gëtt.

Am 2016 hunn d'Unterberg an d'Team ugefaang Experimenter am Tokamak ze maachen, e Fusiounsreaktor, dee Magnéitfeld benotzt fir e Plasmaring ze enthalen, an der DIII-D National Fusion Facility, engem DOE Office of Science Benotzeranlag zu San Diego. Si wollte wëssen, ob Wolfram ka benotzt ginn fir dem Tokamak seng Vakuumkammer ze panzeréieren - et schützt géint séier Zerstéierung verursaacht duerch d'Effekter vum Plasma - ouni de Plasma selwer staark ze kontaminéieren. Dës Kontaminatioun, wann net genuch geréiert, kéint schlussendlech d'Fusiounsreaktioun ausléisen.

"Mir hu probéiert ze bestëmmen, wéi eng Gebidder an der Chamber besonnesch schlecht wieren: wou de Wolfram am meeschte wahrscheinlech Gëftstoffer generéiere kann, déi de Plasma kontaminéiere kënnen", sot Unterberg.

Fir dat ze fannen, hunn d'Fuerscher eng beräichert Isotop vu Wolfram, W-182, zesumme mat der onmodifizéierter Isotop benotzt, fir d'Erosioun, den Transport an d'Redeposition vu Wolfram aus dem Divertor ze verfolgen. Wann Dir d'Bewegung vu Wolfram am Divertor kuckt - e Gebitt an der Vakuumkammer entworf fir Plasma an Gëftstoffer ze divertéieren - huet hinnen e méi kloert Bild ginn wéi et aus Flächen am Tokamak erodéiert a mam Plasma interagéiert. Déi beräichert Wolfram Isotop huet déiselwecht physesch a chemesch Eegeschafte wéi normal Wolfram. D'Experimenter um DIII-D benotzt kleng Metal Inserts Beschichtete mat der beräichert Isotop plazéiert no bei, awer net an der héchster Hëtzt Flux Zone, e Beräich am Schëff typesch der divertor wäit-Zil Regioun genannt. Separat, an enger Divertorregioun mat den héchste Fluxen, de Streikpunkt, hunn d'Fuerscher Inserts mat der onmodifizéierter Isotop benotzt. De Rescht vun der DIII-D Chamber ass mat Grafit gepanzert.

Dëse Setup huet d'Fuerscher erlaabt Proben op spezielle Sonden ze sammelen, déi temporär an der Chamber agefouert goufen fir d'Ofdreiwung vun der Gëftstoffer an d'Schiffbewaffnung ze moossen, wat hinnen eng méi präzis Iddi ka ginn, wou de Wolfram, deen aus dem Divertor an d'Kammer ausgelaf ass. entstanen.

"D'Benotzung vun der beräichert Isotop huet eis en eenzegaartege Fangerofdrock ginn," sot Unterberg.

Et war deen éischten esou Experiment an engem Fusiounsapparat gemaach. Ee Zil war déi bescht Materialien a Plaz fir dës Materialien fir Kammerbewaffnung ze bestëmmen, wärend Gëftstoffer behalen, déi duerch Plasma-Material Interaktioune gréisstendeels un den Diverter enthalen sinn, an net de Magnéit-begrenzte Kärplasma kontaminéiert fir d'Fusioun ze produzéieren.

Eng Komplikatioun mam Design an der Operatioun vun Divertoren ass Gëftstofferkontaminatioun am Plasma verursaacht duerch Rand-lokaliséierte Modi, oder ELMs. E puer vun dëse séieren, héich-Energie-Evenementer, ähnlech wéi Sonnefakelen, kënne Schiffkomponente wéi Divertorplacke beschiedegen oder zerstéieren. D'Frequenz vun den ELMs, d'Zäiten pro Sekonn déi dës Eventer optrieden, ass en Indikateur fir d'Quantitéit un Energie, déi vum Plasma op d'Mauer fräigelooss gëtt. Héichfrequenz ELMs kënnen niddereg Quantitéiten u Plasma pro Ausbroch fräiginn, awer wann d'ELMs manner dacks sinn, ass de Plasma an d'Energie, déi pro Ausbroch verëffentlecht gëtt, héich, mat enger méi grousser Wahrscheinlechkeet fir Schued. Rezent Fuerschung huet op Weeër gekuckt fir d'Frequenz vun ELMs ze kontrolléieren an ze erhéijen, sou wéi mat Pelletinjektioun oder zousätzlech Magnéitfelder bei ganz klenge Magnitude.

D'Unterberg Team huet fonnt, wéi se erwaart hunn, datt de Wolfram wäit vum High-Flux-Strike-Punkt d'Wahrscheinlechkeet vun der Kontaminatioun staark erhéicht huet wann se op niddereg-Frequenz ELMs ausgesat sinn, déi méi héich Energiegehalt an Uewerflächekontakt pro Event hunn. Zousätzlech huet d'Team fonnt datt dës Divertor wäit-Zilregioun méi ufälleg war fir d'SOL ze kontaminéieren, och wann et allgemeng méi niddereg Flux huet wéi de Streikpunkt. Dës anscheinend kontraintuitiv Resultater ginn bestätegt duerch dauernd Divertormodelleringsefforten a Relatioun zu dësem Projet an zukünfteg Experimenter op DIII-D.

Dëse Projet involvéiert en Team vun Experten aus ganz Nordamerika, dorënner Kollaborateure vum Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, der University of California zu San Diego, der University of Toronto, d'Universitéit vun Tennessee-Knoxville, an d'Universitéit vu Wisconsin-Madison, well et e bedeitende Tool fir Plasma-Material Interaktiounsfuerschung gëtt. DOE's Office of Science (Fusion Energy Sciences) huet Ënnerstëtzung fir d'Etude geliwwert.

D'Team publizéiert Fuerschung online virdrun dëst Joer am JournalNuklear Fusioun.

D'Fuerschung kéint direkt de Joint European Torus, oder JET, an ITER profitéieren, elo am Bau zu Cadarache, Frankräich, déi zwee Wolfram Rüstung fir den Divertor benotzen.

"Awer mir kucken op Saachen iwwer ITER a JET - mir kucken d'Fusiounsreaktoren vun der Zukunft," sot Unterberg. "Wou ass et am beschten Wolfram ze setzen, a wou sollt Dir net Wolfram setzen? Eist ultimativt Zil ass eis Fusiounsreaktoren ze panzeréieren, wa se kommen, op eng intelligent Manéier.

Unterberg sot dem ORNL seng eenzegaarteg Stable Isotopes Group, déi d'beräichert Isotopbeschichtung entwéckelt a getest huet, ier se an eng Form nëtzlech fir den Experiment gesat huet, huet d'Fuerschung méiglech gemaach. Dës Isotop wier net iwwerall verfügbar gewiescht wéi vum National Isotope Development Center um ORNL, deen e Stock vu bal all Element isotopesch getrennt hält, sot hien.

"ORNL huet eenzegaarteg Expertise a besonnesch Wënsch fir dës Zort Fuerschung", sot Unterberg. "Mir hunn eng laang Ierfschaft fir Isotopen z'entwéckelen an déi an all Zorte vu Fuerschung a verschiddenen Uwendungen ronderëm d'Welt ze benotzen."

Zousätzlech geréiert ORNL US ITER.

Als nächst wäert d'Team kucken wéi Wolfram an ënnerschiddlech geformte Divertoren setzen kann d'Kontaminatioun vum Kär beaflossen. Verschidde Divertorgeometrie kënnen d'Effekter vu Plasma-Material Interaktiounen op de Kärplasma miniméieren, hunn se theoretiséiert. Déi bescht Form fir en Divertor ze kennen - e noutwendege Bestanddeel fir e magnetesch ageschloss Plasma Apparat - géif d'Wëssenschaftler ee Schrëtt méi no bei engem liewensfäeg Plasma-Reaktor setzen.

"Wa mir als Gesellschaft soen, mir wëllen d'Nuklearenergie geschéien, a mir wëllen op déi nächst Etapp plënneren," sot Unterberg, "Fusioun wier den Hellege Graal."