Внатрешноста на идните енергетски реактори за нуклеарна фузија ќе биде меѓу најтешките средини некогаш произведени на Земјата. Што е доволно силно за да ја заштити внатрешноста на фузиониот реактор од топлински текови произведени од плазма слични на вселенските шатлови кои повторно влегуваат во атмосферата на Земјата?

Истражувачите на ORNL користеле природен волфрам (жолт) и збогатен волфрам (портокалова) за да ја следат ерозијата, транспортот и повторното таложење на волфрам. Волфрамот е водечка опција за оклопување на внатрешноста на уредот за фузија.

Зеке Унтерберг и неговиот тим од Националната лабораторија на Одделот за енергија во Оук Риџ во моментов работат со водечкиот кандидат: волфрам, кој има највисока точка на топење и најнизок парен притисок од сите метали на периодниот систем, како и многу висока цврстина на истегнување - својства кои го прават добро прилагоден за злоупотреба на долги временски периоди. Тие се фокусирани на разбирање како волфрамот би функционирал во реактор за фузија, уред кој ги загрева светлосните атоми на температури повисоки од јадрото на Сонцето, така што тие се спојуваат и ослободуваат енергија. Водородниот гас во реактор за фузија се претвора во водородна плазма - состојба на материјата која се состои од делумно јонизиран гас - кој потоа е ограничен во мал регион со силни магнетни полиња или ласери.

„Не сакате да ставите нешто во вашиот реактор што ќе трае само неколку дена“, рече Унтерберг, постар научник за истражување во Одделот за фузија енергија на ORNL. „Сакате да имате доволен животен век. Ставаме волфрам во области каде што очекуваме дека ќе има многу високо плазма бомбардирање“.

Во 2016 година, Унтерберг и тимот започнаа да спроведуваат експерименти во токамак, реактор за фузија што користи магнетни полиња за да содржи прстен од плазма, во Националната фузија на DIII-D, објект за корисници на DOE Office of Science во Сан Диего. Тие сакаа да знаат дали волфрамот може да се користи за оклопување на вакуумската комора на токамакот - заштитувајќи го од брзото уништување предизвикано од ефектите на плазмата - без силно контаминирање на самата плазма. Оваа контаминација, ако не е доволно управувана, на крајот може да ја изгасне реакцијата на фузија.

„Се обидувавме да одредиме кои области во комората ќе бидат особено лоши: каде што волфрамот најверојатно ќе генерира нечистотии кои можат да ја контаминираат плазмата“, рече Унтерберг.

За да го откријат тоа, истражувачите користеле збогатен изотоп на волфрам, W-182, заедно со немодифицираниот изотоп, за да ја следат ерозијата, транспортот и повторното таложење на волфрам од внатрешноста на пренасочувачот. Гледајќи го движењето на волфрам во пренасочувачот - област во вакуумската комора дизајнирана да ја пренасочува плазмата и нечистотиите - им даде појасна слика за тоа како тој еродира од површините во токамакот и како комуницира со плазмата. Збогатениот изотоп на волфрам ги има истите физички и хемиски својства како и обичниот волфрам. Експериментите во DIII-D користеа мали метални влошки обложени со збогатен изотоп поставен блиску, но не и во зоната на највисокиот топлински флукс, област во садот што вообичаено се нарекува пренасочувач на далечната целна област. Одделно, во пренасочувачкиот регион со највисоки флукс, ударната точка, истражувачите користеа инсерти со немодифициран изотоп. Остатокот од комората DIII-D е оклопен со графит.

Оваа поставеност им овозможи на истражувачите да соберат примероци на специјални сонди привремено вметнати во комората за мерење на протокот на нечистотија до и од оклопот на садот, што би можело да им даде попрецизна идеја за тоа каде има волфрамот што истекол од пренасочувачот во комората. потекнува.

„Користењето на збогатениот изотоп ни даде уникатен отпечаток од прст“, рече Унтерберг.

Тоа беше првиот таков експеримент спроведен во уред за фузија. Една цел беше да се одредат најдобрите материјали и локација за овие материјали за оклопување на комората, притоа задржувајќи ги нечистотиите предизвикани од интеракциите на плазма-материјалот во голема мера содржани во пренасочувачот и да не ја контаминираат јадрото на плазмата ограничена со магнет што се користи за производство на фузија.

Една компликација со дизајнот и работата на пренасочувачите е контаминација со нечистотија во плазмата предизвикана од локализирани режими на работ или ELM. Некои од овие брзи, високо-енергетски настани, слични на сончевите блесоци, може да ги оштетат или уништат компонентите на садот, како што се плочите за пренасочување. Фреквенцијата на ELM, пати во секунда кога се случуваат овие настани, е показател за количината на енергија ослободена од плазмата до ѕидот. Високофреквентните ELM можат да ослободат ниски количества на плазма по ерупција, но ако ELM се поретки, плазмата и енергијата што се ослободуваат по ерупција се високи, со поголема веројатност за оштетување. Неодамнешните истражувања ги разгледаа начините за контрола и зголемување на фреквенцијата на ELM, како на пример со инјектирање на пелети или дополнителни магнетни полиња со многу мали магнитуди.

Тимот на Унтерберг откри, како што очекуваше, дека имањето на волфрам далеку од ударната точка со висок флукс значително ја зголемува веројатноста за контаминација кога се изложени на нискофреквентни ELM кои имаат поголема енергетска содржина и површински контакт по настан. Дополнително, тимот откри дека овој далечен-целен регион за пренасочување бил повеќе склон кон контаминација на SOL, иако генерално има помали флуксови од ударната точка. Овие навидум контраинтуитивни резултати се потврдуваат со тековните напори за моделирање на пренасочувачи во врска со овој проект и идните експерименти на DIII-D.

Овој проект вклучи тим од експерти од цела Северна Америка, вклучувајќи соработници од Лабораторијата за физика на Принстон, Националната лабораторија Лоренс Ливермор, Националните лаборатории Сандија, ОРНЛ, Генералниот Атомикс, Универзитетот Обурн, Универзитетот во Калифорнија во Сан Диего, Универзитетот во Торонто, Универзитетот во Тенеси-Ноксвил и Универзитетот во Висконсин-Медисон, бидејќи обезбеди значајна алатка за истражување на интеракцијата на плазма-материјалот. Канцеларијата за наука на DOE (Fusion Energy Sciences) обезбеди поддршка за студијата.

Тимот објави истражување на интернет претходно оваа година во списаниетоНуклеарна фузија.

Истражувањето може веднаш да биде од корист за Заедничкиот Европски Торус, или ЈЕТ, и ИТЕР, кои сега се градат во Кадараш, Франција, кои користат волфрамски оклоп за пренасочувачот.

„Но, ние ги разгледуваме работите надвор од ITER и JET - ги гледаме фузиските реактори на иднината“, рече Унтерберг. „Каде е најдобро да се става волфрам, а каде не треба да се става волфрам? Нашата крајна цел е да ги оклопиме нашите реактори за фузија, кога ќе дојдат, на паметен начин“.

Унтерберг рече дека уникатната група за стабилни изотопи на ORNL, која го разви и тестираше збогатениот изотопски слој пред да го стави во форма корисна за експериментот, го овозможи истражувањето. Тој изотоп не би бил достапен никаде освен од Националниот центар за развој на изотопи во ORNL, кој одржува залихи од речиси секој елемент изотопски одвоен, рече тој.

„ОРНЛ има единствена експертиза и посебни желби за ваков тип на истражување“, рече Унтерберг. „Имаме долго наследство на развој на изотопи и нивно користење во сите видови истражувања во различни апликации ширум светот.

Покрај тоа, ORNL управува со US ITER.

Следно, тимот ќе погледне како ставањето волфрам во различно обликувани пренасочувачи може да влијае на контаминација на јадрото. Различните геометрии на пренасочувачите би можеле да ги минимизираат ефектите на интеракциите на плазма-материјалот врз јадрото на плазмата, тие теоретизираат. Познавањето на најдобрата форма за пренасочувач - неопходна компонента за плазма уред ограничен со магнетно дејство - ќе ги стави научниците чекор поблиску до одржлив плазма реактор.

„Ако ние, како општество, кажеме дека сакаме да се случи нуклеарната енергија и сакаме да преминеме во следната фаза“, рече Унтерберг, „фузијата ќе биде светиот грал“.