Bahagian dalam reaktor tenaga gabungan nuklear masa depan akan menjadi antara persekitaran paling keras yang pernah dihasilkan di Bumi. Apakah yang cukup kuat untuk melindungi bahagian dalam reaktor pelakuran daripada fluks haba yang dihasilkan plasma serupa dengan pengangkutan angkasa yang memasuki semula atmosfera Bumi?

Penyelidik ORNL menggunakan tungsten semula jadi (kuning) dan tungsten diperkaya (oren) untuk mengesan hakisan, pengangkutan dan pemendapan semula tungsten. Tungsten ialah pilihan utama untuk memperisai bahagian dalam peranti gabungan.

Zeke Unterberg dan pasukannya di Makmal Kebangsaan Oak Ridge Jabatan Tenaga sedang bekerja dengan calon utama: tungsten, yang mempunyai takat lebur tertinggi dan tekanan wap paling rendah daripada semua logam pada jadual berkala, serta kekuatan tegangan yang sangat tinggi— hartanah yang menjadikannya sangat sesuai untuk mengambil penyalahgunaan untuk jangka masa yang lama. Mereka memberi tumpuan kepada memahami cara tungsten akan berfungsi di dalam reaktor pelakuran, peranti yang memanaskan atom cahaya kepada suhu yang lebih panas daripada teras matahari supaya ia bercantum dan membebaskan tenaga. Gas hidrogen dalam reaktor pelakuran ditukar kepada plasma hidrogen—keadaan jirim yang terdiri daripada gas terion separa—yang kemudiannya terkurung di kawasan kecil oleh medan magnet atau laser yang kuat.

"Anda tidak mahu meletakkan sesuatu dalam reaktor anda yang hanya bertahan beberapa hari," kata Unterberg, seorang saintis penyelidikan kanan di Bahagian Tenaga Fusion ORNL. “Anda mahu mempunyai seumur hidup yang mencukupi. Kami meletakkan tungsten di kawasan yang kami jangkakan akan berlaku pengeboman plasma yang sangat tinggi.”

Pada 2016, Unterberg dan pasukan itu mula menjalankan eksperimen dalam tokamak, reaktor gabungan yang menggunakan medan magnet untuk mengandungi cincin plasma, di Kemudahan Gabungan Kebangsaan DIII-D, kemudahan pengguna Pejabat Sains DOE di San Diego. Mereka ingin tahu sama ada tungsten boleh digunakan untuk memperisai ruang vakum tokamak—melindunginya daripada kemusnahan pantas yang disebabkan oleh kesan plasma—tanpa mencemarkan plasma itu sendiri. Pencemaran ini, jika tidak diuruskan dengan secukupnya, akhirnya boleh memadamkan tindak balas pelakuran.

"Kami cuba menentukan kawasan di dalam ruang yang akan menjadi sangat teruk: di mana tungsten berkemungkinan besar menghasilkan kekotoran yang boleh mencemari plasma," kata Unterberg.

Untuk mengetahuinya, para penyelidik menggunakan isotop tungsten yang diperkaya, W-182, bersama-sama dengan isotop yang tidak diubah suai, untuk mengesan hakisan, pengangkutan dan pemendapan semula tungsten dari dalam penyimpang. Melihat pergerakan tungsten di dalam divertor—kawasan dalam ruang vakum yang direka untuk mengalihkan plasma dan kekotoran—memberi mereka gambaran yang lebih jelas tentang bagaimana ia terhakis daripada permukaan dalam tokamak dan berinteraksi dengan plasma. Isotop tungsten yang diperkaya mempunyai sifat fizikal dan kimia yang sama seperti tungsten biasa. Eksperimen di DIII-D menggunakan sisipan logam kecil yang disalut dengan isotop diperkaya yang diletakkan berhampiran, tetapi tidak pada, zon fluks haba tertinggi, kawasan dalam vesel yang biasanya dipanggil kawasan sasaran jauh pengalih. Secara berasingan, pada kawasan penyimpang dengan fluks tertinggi, titik mogok, penyelidik menggunakan sisipan dengan isotop yang tidak diubah suai. Baki ruang DIII-D berperisai dengan grafit.

Persediaan ini membolehkan para penyelidik mengumpul sampel pada probe khas yang dimasukkan buat sementara waktu di dalam ruang untuk mengukur aliran bendasing ke dan dari perisai kapal, yang boleh memberi mereka idea yang lebih tepat tentang di mana tungsten yang telah bocor dari pengalih ke dalam ruang telah berasal.

"Menggunakan isotop yang diperkaya memberi kami cap jari yang unik," kata Unterberg.

Ia adalah percubaan pertama sedemikian yang dijalankan dalam peranti gabungan. Satu matlamat adalah untuk menentukan bahan dan lokasi terbaik untuk bahan ini untuk perisai ruang, sambil mengekalkan kekotoran yang disebabkan oleh interaksi bahan plasma sebahagian besarnya terkandung pada pengalih dan tidak mencemarkan plasma teras terkurung magnet yang digunakan untuk menghasilkan gabungan.

Satu komplikasi dengan reka bentuk dan pengendalian pengalih ialah pencemaran kekotoran dalam plasma yang disebabkan oleh mod setempat tepi, atau ELM. Beberapa peristiwa pantas dan bertenaga tinggi ini, serupa dengan suar suria, boleh merosakkan atau memusnahkan komponen kapal seperti plat pengalih. Kekerapan ELM, masa sesaat peristiwa ini berlaku, adalah penunjuk jumlah tenaga yang dibebaskan dari plasma ke dinding. ELM frekuensi tinggi boleh melepaskan jumlah plasma yang rendah setiap letusan, tetapi jika ELM kurang kerap, plasma dan tenaga yang dikeluarkan setiap letusan adalah tinggi, dengan kebarangkalian yang lebih besar untuk kerosakan. Penyelidikan terkini telah melihat cara untuk mengawal dan meningkatkan kekerapan ELM, seperti suntikan pelet atau medan magnet tambahan pada magnitud yang sangat kecil.

Pasukan Unterberg mendapati, seperti yang mereka jangkakan, bahawa mempunyai tungsten jauh dari titik serangan fluks tinggi telah meningkatkan kebarangkalian pencemaran apabila terdedah kepada ELM frekuensi rendah yang mempunyai kandungan tenaga yang lebih tinggi dan sentuhan permukaan setiap peristiwa. Selain itu, pasukan mendapati bahawa kawasan sasaran jauh pengalih ini lebih terdedah kepada pencemaran SOL walaupun ia secara amnya mempunyai fluks yang lebih rendah daripada titik mogok. Keputusan yang kelihatan berlawanan dengan intuisi ini disahkan oleh usaha pemodelan divertor yang berterusan berhubung dengan projek ini dan eksperimen masa depan pada DIII-D.

Projek ini melibatkan pasukan pakar dari seluruh Amerika Utara, termasuk kolaborator dari Makmal Fizik Plasma Princeton, Makmal Kebangsaan Lawrence Livermore, Makmal Kebangsaan Sandia, ORNL, General Atomics, Universiti Auburn, Universiti California di San Diego, Universiti Toronto, Universiti Tennessee-Knoxville, dan Universiti Wisconsin-Madison, kerana ia menyediakan alat penting untuk penyelidikan interaksi bahan plasma. Pejabat Sains (Fusion Energy Sciences) JAS menyediakan sokongan untuk kajian itu.

Pasukan itu menerbitkan penyelidikan dalam talian awal tahun ini dalam jurnalGabungan Nuklear.

Penyelidikan itu boleh memberi manfaat serta-merta kepada Torus Eropah Bersama, atau JET, dan ITER, yang kini dalam pembinaan di Cadarache, Perancis, yang kedua-duanya menggunakan perisai tungsten untuk pengalih.

"Tetapi kami sedang melihat perkara di luar ITER dan JET-kami sedang melihat pada reaktor gabungan masa depan," kata Unterberg. "Di manakah yang terbaik untuk meletakkan tungsten, dan di mana anda tidak boleh meletakkan tungsten? Matlamat utama kami adalah untuk memperisai reaktor gabungan kami, apabila ia datang, dengan cara yang bijak."

Unterberg berkata Kumpulan Isotop Stabil unik ORNL, yang membangunkan dan menguji salutan isotop yang diperkaya sebelum meletakkannya dalam bentuk yang berguna untuk eksperimen, menjadikan penyelidikan itu mungkin. Isotop itu tidak akan tersedia di mana-mana kecuali dari Pusat Pembangunan Isotop Kebangsaan di ORNL, yang mengekalkan stok simpanan hampir setiap elemen yang diasingkan secara isotop, katanya.

"ORNL mempunyai kepakaran unik dan keinginan khusus untuk jenis penyelidikan ini," kata Unterberg. "Kami mempunyai warisan panjang untuk membangunkan isotop dan menggunakannya dalam semua jenis penyelidikan dalam aplikasi yang berbeza di seluruh dunia."

Selain itu, ORNL menguruskan US ITER.

Seterusnya, pasukan akan melihat bagaimana meletakkan tungsten ke dalam penyimpang berbentuk berbeza mungkin menjejaskan pencemaran teras. Geometri pengalih yang berbeza boleh meminimumkan kesan interaksi bahan plasma pada plasma teras, mereka telah berteori. Mengetahui bentuk terbaik untuk pengalih—komponen yang diperlukan untuk peranti plasma terkurung magnet—akan meletakkan saintis selangkah lebih dekat dengan reaktor plasma yang berdaya maju.

"Jika kita, sebagai masyarakat, mengatakan bahawa kita mahu tenaga nuklear berlaku, dan kita mahu bergerak ke peringkat seterusnya," kata Unterberg, "gabungan akan menjadi cawan suci."