Būsimų branduolinės sintezės energijos reaktorių vidus bus viena iš atšiauriausių kada nors sukurtų Žemėje aplinkos. Kas yra pakankamai tvirta, kad apsaugotų branduolių sintezės reaktoriaus vidų nuo plazmos gaminamų šilumos srautų, panašių į erdvėlaivius, grįžtančius į Žemės atmosferą?

ORNL mokslininkai naudojo natūralų volframą (geltoną) ir praturtintą volframą (oranžinę), kad atsektų volframo eroziją, transportavimą ir pakartotinį nusodinimą. Volframas yra pagrindinė galimybė šarvuoti sintezės įrenginio vidų.

Zeke'as Unterbergas ir jo komanda Energetikos departamento Oak Ridge nacionalinėje laboratorijoje šiuo metu dirba su pirmaujančiu kandidatu: volframu, kurio lydymosi temperatūra ir žemiausias garų slėgis iš visų periodinės lentelės metalų, taip pat labai didelis tempiamasis stipris. savybių, dėl kurių jis puikiai tinka piktnaudžiauti ilgą laiką. Jie sutelkia dėmesį į supratimą, kaip volframas veiktų sintezės reaktoriuje – įrenginyje, kuris įkaitina šviesos atomus iki aukštesnės nei saulės šerdies temperatūros, kad jie susilietų ir išskirtų energiją. Vandenilio dujos branduolių sintezės reaktoriuje paverčiamos vandenilio plazma – medžiagos būsena, kurią sudaro iš dalies jonizuotos dujos, kuri po to nedideliame regione apribojama stipriais magnetiniais laukais arba lazeriais.

„Jūs nenorite dėti į savo reaktorių ką nors, kas trunka tik kelias dienas“, - sakė Unterbergas, ORNL sintezės energijos skyriaus vyresnysis mokslo darbuotojas. „Norite turėti pakankamai gyvenimo. Mes dedame volframą tose srityse, kuriose, kaip tikimės, bus labai didelis plazmos bombardavimas.

2016 m. Unterbergas ir komanda pradėjo eksperimentuoti su tokamaku – branduolių sintezės reaktoriumi, kuris naudoja magnetinius laukus plazmos žiedui laikyti, DIII-D nacionalinėje sintezės įstaigoje, DOE mokslo biuro naudotojų įstaigoje San Diege. Jie norėjo sužinoti, ar volframas gali būti naudojamas tokamako vakuuminei kamerai šarvuoti, apsaugant ją nuo greito sunaikinimo, kurį sukelia plazmos poveikis, labai neužteršiant pačios plazmos. Šis užterštumas, jei jis nėra pakankamai valdomas, galiausiai gali užgesinti sintezės reakciją.

„Bandėme nustatyti, kurios kameros sritys būtų ypač blogos: kur volframas greičiausiai susidarys priemaišų, galinčių užteršti plazmą“, - sakė Unterbergas.

Norėdami tai išsiaiškinti, mokslininkai naudojo praturtintą volframo izotopą W-182 kartu su nemodifikuotu izotopu, kad atsektų volframo eroziją, transportavimą ir pakartotinį nusodinimą iš divertoriaus. Žvelgiant į volframo judėjimą divertoriuje – vakuuminės kameros zonoje, skirtoje nukreipti plazmą ir priemaišas – gautas aiškesnis vaizdas, kaip jis erozuoja nuo tokamako paviršių ir sąveikauja su plazma. Praturtintas volframo izotopas turi tas pačias fizines ir chemines savybes kaip ir įprastas volframas. Eksperimentuose DIII-D buvo naudojami maži metaliniai įdėklai, padengti prisodrintu izotopu, dedami arti didžiausios šilumos srauto zonos, bet ne joje, indo srityje, kuri paprastai vadinama nukreipiančiojo tolimojo tikslinio regiono. Atskirai, didžiausią srautą turinčioje divertoriaus srityje, smūgio taške, mokslininkai naudojo įdėklus su nemodifikuotu izotopu. Likusi DIII-D kameros dalis yra šarvuota grafitu.

Ši sąranka leido tyrėjams rinkti mėginius ant specialių zondų, laikinai įdėtų į kamerą, kad būtų galima išmatuoti priemaišų srautą į indo šarvus ir iš jo, o tai gali suteikti jiems tikslesnį supratimą apie tai, kur buvo iš divertoriaus į kamerą nutekėjęs volframas. atsirado.

„Naudodami prisodrintą izotopą gavome unikalų pirštų atspaudą“, - sakė Unterbergas.

Tai buvo pirmasis toks eksperimentas, atliktas sintezės įrenginyje. Vienas iš tikslų buvo nustatyti geriausias medžiagas ir vietą šioms medžiagoms, skirtoms kameros šarvui, kartu išlaikant priemaišas, atsirandančias dėl plazmos ir medžiagų sąveikos, daugiausia įtrauktas į divertorių ir neužteršdamas magnetu apribotos šerdies plazmos, naudojamos sintezei gaminti.

Viena iš divertorių konstrukcijos ir veikimo komplikacijų yra priemaišų užterštumas plazmoje, atsirandantis dėl krašto lokalizuotų režimų arba ELM. Kai kurie iš šių greitų, daug energijos reikalaujančių įvykių, panašių į saulės blyksnius, gali sugadinti arba sunaikinti laivo komponentus, pvz., divertoriaus plokštes. ELM dažnis, šių įvykių laikas per sekundę yra energijos kiekio, išsiskiriančio iš plazmos į sieną, rodiklis. Aukšto dažnio ELM gali išleisti nedidelį kiekį plazmos per išsiveržimą, tačiau jei ELM yra rečiau, plazma ir energija, išsiskirianti per išsiveržimą, yra didelė, todėl yra didesnė žalos tikimybė. Naujausi tyrimai nagrinėjo būdus, kaip kontroliuoti ir padidinti ELM dažnį, pavyzdžiui, granulių įpurškimu arba papildomu magnetiniu lauku labai mažu dydžiu.

Unterbergo komanda nustatė, kaip ir tikėjosi, kad volframo buvimas toli nuo didelio srauto smūgio taško labai padidino užteršimo tikimybę, kai yra veikiamas žemo dažnio ELM, kurių energijos kiekis ir paviršiaus kontaktas yra didesnis. Be to, komanda išsiaiškino, kad šis toli nukreipiantis regionas buvo labiau linkęs užteršti SOL, nors paprastai jo srautai yra mažesni nei smūgio taškas. Šiuos, atrodytų, prieštaringus rezultatus patvirtina nuolatinės divertoriaus modeliavimo pastangos, susijusios su šiuo projektu ir būsimais DIII-D eksperimentais.

Šiame projekte dalyvavo ekspertų komanda iš visos Šiaurės Amerikos, įskaitant bendradarbius iš Prinstono plazmos fizikos laboratorijos, Lawrence'o Livermore'o nacionalinės laboratorijos, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn universiteto, Kalifornijos universiteto San Diege, Toronto universiteto, Tenesio universitetas-Noksvilis ir Viskonsino-Madisono universitetas, nes tai buvo svarbi plazmos ir medžiagų sąveikos tyrimų priemonė. DOE Mokslo biuras (Fusion Energy Sciences) suteikė paramą tyrimui.

Grupė paskelbė tyrimą internete anksčiau šiais metais žurnaleBranduolinė sintezė.

Tyrimai galėtų iš karto būti naudingi Jungtiniam Europos Torui, arba JET, ir ITER, kurie dabar statomi Kadaraše, Prancūzijoje.

„Tačiau mes žiūrime į dalykus ne tik ITER ir JET – žiūrime į ateities branduolių sintezės reaktorius“, – sakė Unterbergas. „Kur geriausia dėti volframą, o kur ne? Mūsų pagrindinis tikslas yra protingai šarvuoti branduolių sintezės reaktorius, kai jie ateina.

Unterbergas sakė, kad unikali ORNL stabiliųjų izotopų grupė, kuri sukūrė ir išbandė prisodrintą izotopų dangą prieš įtraukdama ją į eksperimentui naudingą formą, leido atlikti tyrimą. Jis sakė, kad šis izotopas nebūtų buvęs prieinamas niekur, išskyrus Nacionalinį izotopų plėtros centrą ORNL, kuriame yra beveik visų izotopiškai atskirtų elementų atsargos.

"ORNL turi unikalią patirtį ir ypatingus norus tokio tipo tyrimams", - sakė Unterbergas. "Mes turime ilgą palikimą kurdami izotopus ir naudodami juos įvairiuose tyrimuose įvairiose srityse visame pasaulyje."

Be to, ORNL valdo JAV ITER.

Tada komanda išnagrinės, kaip volframo įdėjimas į skirtingos formos divertorius gali paveikti šerdies užteršimą. Jie teigė, kad skirtingos nukreipiklių geometrijos galėtų sumažinti plazmos ir medžiagų sąveikos poveikį pagrindinei plazmai. Žinodami geriausią divertoriaus formą – būtiną magnetinio uždarymo plazminio įrenginio komponentą – mokslininkai būtų vienu žingsniu arčiau gyvybingo plazmos reaktoriaus.

„Jei mes, kaip visuomenė, pasakysime, kad norime, kad branduolinė energija atsirastų, ir norime pereiti į kitą etapą, – sakė Unterbergas, „sintezė būtų šventasis gralis“.