Nākotnes kodolsintēzes enerģijas reaktoru iekšpuse būs viena no skarbākajām vidēm, kas jebkad radītas uz Zemes. Kas ir pietiekami stiprs, lai aizsargātu kodolsintēzes reaktora iekšpusi no plazmas radītām siltuma plūsmām, kas ir līdzīgas kosmosa kuģu pārvadājumiem, kas atkārtoti iekļūst Zemes atmosfērā?

ORNL pētnieki izmantoja dabisko volframu (dzeltenu) un bagātinātu volframu (oranžu), lai izsekotu volframa erozijai, transportēšanai un atkārtotai nogulsnēšanai. Volframs ir vadošā iespēja bruņot kodolsintēzes ierīces iekšpusi.

Zeke Unterberg un viņa komanda Enerģētikas departamenta Oak Ridge National Laboratory pašlaik strādā ar vadošo kandidātu: volframu, kuram ir visaugstākā kušanas temperatūra un zemākais tvaika spiediens no visiem periodiskajā tabulā esošajiem metāliem, kā arī ļoti augsta stiepes izturība. īpašības, kas padara to piemērotu ilgstošai ļaunprātīgai izmantošanai. Viņi koncentrējas uz izpratni par to, kā volframs darbotos kodolsintēzes reaktorā, ierīcē, kas uzsilda gaismas atomus līdz temperatūrai, kas ir augstāka par saules kodolu, lai tie saplūst un atbrīvotu enerģiju. Ūdeņraža gāze kodolsintēzes reaktorā tiek pārveidota par ūdeņraža plazmu - vielas stāvokli, kas sastāv no daļēji jonizētas gāzes, ko pēc tam nelielā reģionā ierobežo spēcīgi magnētiskie lauki vai lāzeri.

"Jūs nevēlaties ievietot savā reaktorā kaut ko, kas ilgst tikai dažas dienas," sacīja Unterbergs, ORNL kodolsintēzes enerģijas nodaļas vecākais pētnieks. "Jūs vēlaties, lai jums būtu pietiekami daudz dzīves. Mēs ievietojam volframu vietās, kur mēs paredzam, ka būs ļoti spēcīga plazmas bombardēšana.

2016. gadā Unterbergs un komanda sāka veikt eksperimentus tokamakā — kodolsintēzes reaktorā, kas izmanto magnētiskos laukus, lai saturētu plazmas gredzenu, DIII-D Nacionālajā kodolsintēzes objektā, DOE Zinātnes biroja lietotāju iekārtā Sandjego. Viņi vēlējās uzzināt, vai volframu var izmantot, lai apbruņotu tokamaka vakuuma kameru, pasargājot to no ātras iznīcināšanas, ko izraisa plazmas ietekme, ļoti nepiesārņojot pašu plazmu. Šis piesārņojums, ja tas netiek pietiekami pārvaldīts, galu galā var dzēst saplūšanas reakciju.

"Mēs centāmies noteikt, kuras zonas kamerā būtu īpaši sliktas: kur volframs, visticamāk, radīs piemaisījumus, kas var piesārņot plazmu," sacīja Unterbergs.

Lai to noskaidrotu, pētnieki izmantoja bagātinātu volframa izotopu W-182 kopā ar nemodificētu izotopu, lai izsekotu volframa erozijai, transportēšanai un atkārtotai nogulsnēšanai no novirzītāja iekšpuses. Aplūkojot volframa kustību novirzītājā - vakuuma kameras zonā, kas paredzēta plazmas un piemaisījumu novirzīšanai, viņi ieguva skaidrāku priekšstatu par to, kā tas erodējas no tokamaka virsmām un mijiedarbojas ar plazmu. Bagātinātajam volframa izotopam ir tādas pašas fizikālās un ķīmiskās īpašības kā parastajam volframam. Eksperimentos ar DIII-D tika izmantoti mazi metāla ieliktņi, kas pārklāti ar bagātinātu izotopu, kas novietoti tuvu augstākajai siltuma plūsmas zonai, bet ne tai, kuģa apgabalā, ko parasti sauc par novirzītāja tālāko mērķa reģionu. Atsevišķi, novirzītāja reģionā ar vislielāko plūsmu, trieciena punktā, pētnieki izmantoja ieliktņus ar nemodificētu izotopu. Pārējā DIII-D kameras daļa ir bruņota ar grafītu.

Šī iestatīšana ļāva pētniekiem savākt paraugus uz īpašām zondēm, kas īslaicīgi ievietotas kamerā, lai mērītu piemaisījumu plūsmu uz un no kuģa bruņām, kas varētu sniegt viņiem precīzāku priekšstatu par to, kur bija volframa noplūde, kas bija noplūdis no novirzītāja kamerā. radās.

"Izmantojot bagātināto izotopu, mēs ieguvām unikālu pirkstu nospiedumu," sacīja Unterbergs.

Tas bija pirmais šāds eksperiments, kas tika veikts kodolsintēzes ierīcē. Viens no mērķiem bija noteikt labākos materiālus un šo materiālu atrašanās vietu kameru bruņu veidošanai, vienlaikus saglabājot plazmas un materiālu mijiedarbības radītos piemaisījumus, kas lielā mērā atrodas novirzītājā un nepiesārņojot kodolsintēzes ražošanā izmantoto plazmu, kas ir ierobežota ar magnētu.

Viena no novirzītāju konstrukcijas un darbības komplikācijām ir piemaisījumu piesārņojums plazmā, ko izraisa malas lokalizētie režīmi jeb ELM. Daži no šiem ātrajiem, lielas enerģijas notikumiem, kas ir līdzīgi saules uzliesmojumiem, var sabojāt vai iznīcināt kuģa sastāvdaļas, piemēram, novirzītāja plāksnes. ELM biežums, laiks sekundē, kad šie notikumi notiek, ir indikators enerģijas daudzumam, kas izdalās no plazmas uz sienu. Augstas frekvences ELM vienā izvirdumā var izdalīt nelielu plazmas daudzumu, bet, ja ELM ir retāk, plazmas un enerģijas daudzums, kas izdalās vienā izvirdumā, ir augsts, ar lielāku bojājumu iespējamību. Nesenie pētījumi ir aplūkojuši veidus, kā kontrolēt un palielināt ELM biežumu, piemēram, ar granulu injekciju vai papildu magnētiskajiem laukiem ļoti mazos lielumos.

Unterberga komanda konstatēja, kā viņi gaidīja, ka volframa atrašanās tālu no augstas plūsmas trieciena punkta ievērojami palielināja piesārņojuma iespējamību, ja tiek pakļauta zemas frekvences ELM, kurām ir lielāks enerģijas saturs un virsmas saskare katrā notikumā. Turklāt komanda atklāja, ka šis novirzītāja tālu mērķa reģions bija vairāk pakļauts SOL piesārņojumam, lai gan tam parasti ir mazākas plūsmas nekā trieciena punktā. Šos šķietami pretintuitīvos rezultātus apstiprina notiekošie novirzītāju modelēšanas centieni saistībā ar šo projektu un turpmākie eksperimenti ar DIII-D.

Šajā projektā piedalījās ekspertu komanda no visas Ziemeļamerikas, tostarp līdzstrādnieki no Prinstonas Plazmas fizikas laboratorijas, Lorensa Livermora Nacionālās laboratorijas, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, Kalifornijas Universitātes Sandjego, Toronto Universitātes, Tenesī universitāte-Noksvila un Viskonsinas-Madisonas Universitāte, jo tā nodrošināja nozīmīgu instrumentu plazmas un materiālu mijiedarbības pētījumiem. DOE Zinātnes birojs (Fusion Energy Sciences) sniedza atbalstu pētījumam.

Šī gada sākumā komanda publicēja pētījumu tiešsaistē žurnālāKodolsintēze.

Pētījums varētu nekavējoties gūt labumu Joint European Torus jeb JET un ITER, kas pašlaik tiek būvēti Kadarašā, Francijā, un abi izmanto volframa bruņas novirzītājam.

"Taču mēs skatāmies uz lietām ārpus ITER un JET — mēs skatāmies uz nākotnes kodolsintēzes reaktoriem," sacīja Unterbergs. “Kur vislabāk ir likt volframu, un kur nevajadzētu likt volframu? Mūsu galvenais mērķis ir gudri bruņot mūsu kodolsintēzes reaktorus, kad tie nonāks.

Unterbergs sacīja, ka ORNL unikālā stabilo izotopu grupa, kas izstrādāja un pārbaudīja bagātināto izotopu pārklājumu pirms tā ievietošanas eksperimentam noderīgā formā, padarīja pētījumu iespējamu. Viņš teica, ka šis izotops nebūtu pieejams nekur, izņemot Nacionālo izotopu attīstības centru ORNL, kas uztur gandrīz visu izotopiski atdalītu elementu krājumus.

"ORNL ir unikāla pieredze un īpašas vēlmes šāda veida pētījumiem," sacīja Unterbergs. "Mums ir ilgs izotopu izstrādes mantojums un to izmantošana visu veidu pētījumos dažādos lietojumos visā pasaulē."

Turklāt ORNL pārvalda ASV ITER.

Pēc tam komanda aplūkos, kā volframa ievietošana dažādas formas novirzītājos var ietekmēt kodola piesārņojumu. Viņi ir teorētiski domājuši, ka dažādas novirzītāju ģeometrijas varētu samazināt plazmas un materiālu mijiedarbības ietekmi uz kodola plazmu. Zinot vislabāko divertora formu, kas ir nepieciešama sastāvdaļa plazmas ierīcei ar magnētisko izolāciju, zinātnieki būtu soli tuvāk dzīvotspējīgam plazmas reaktoram.

"Ja mēs kā sabiedrība sakām, ka vēlamies, lai notiktu kodolenerģija, un mēs vēlamies pāriet uz nākamo posmu," sacīja Unterbergs, "sintēze būtu svētais grāls."