In-naħa ta' ġewwa tar-reatturi futuri tal-enerġija tal-fużjoni nukleari se tkun fost l-aktar ambjenti ħorox li qatt ġew prodotti fid-Dinja. X'inhu b'saħħtu biżżejjed biex jipproteġi l-parti ta 'ġewwa ta' reattur tal-fużjoni minn flussi ta 'sħana prodotti mill-plażma simili għal shuttles spazjali li jerġgħu jidħlu fl-atmosfera tad-Dinja?

Ir-riċerkaturi tal-ORNL użaw tungstenu naturali (isfar) u tungstenu arrikkit (oranġjo) biex jintraċċaw l-erożjoni, it-trasport u d-depożizzjoni mill-ġdid tat-tungstenu. It-tungstenu huwa l-għażla ewlenija għall-korazza ta 'ġewwa ta' apparat tal-fużjoni.

Zeke Unterberg u t-tim tiegħu fil-Laboratorju Nazzjonali Oak Ridge tad-Dipartiment tal-Enerġija bħalissa qed jaħdmu mal-kandidat ewlieni: tungstenu, li għandu l-ogħla punt tat-tidwib u l-inqas pressjoni tal-fwar tal-metalli kollha fuq it-tabella perjodika, kif ukoll saħħa tensili għolja ħafna— proprjetajiet li jagħmluha adattata tajjeb biex tieħu abbuż għal perjodi twal ta 'żmien. Huma ffokati fuq li jifhmu kif it-tungstenu jaħdem ġewwa reattur tal-fużjoni, apparat li jsaħħan l-atomi ħfief għal temperaturi sħan mill-qalba tax-xemx sabiex dawn jingħaqdu u jirrilaxxaw l-enerġija. Il-gass ta 'l-idroġenu f'reattur tal-fużjoni jiġi kkonvertit fi plażma ta' l-idroġenu—stat ta 'materja li jikkonsisti f'gass parzjalment jonizzat—li mbagħad jiġi limitat f'reġjun żgħir minn kampi manjetiċi qawwija jew lejżers.

"Ma tridx tpoġġi xi ħaġa fir-reattur tiegħek li ddum biss ftit jiem," qal Unterberg, xjenzat anzjan tar-riċerka fid-Diviżjoni tal-Enerġija mill-Fużjoni tal-ORNL. “Trid ikollok ħajja suffiċjenti. Inpoġġu t-tungstenu f’żoni fejn nantiċipaw li se jkun hemm bumbardament għoli ħafna fil-plażma.”

Fl-2016, Unterberg u t-tim bdew iwettqu esperimenti fit-tokamak, reattur tal-fużjoni li juża kampijiet manjetiċi biex ikun fih ċirku ta 'plażma, fil-Faċilità Nazzjonali tal-Fużjoni DIII-D, faċilità tal-utent tal-Uffiċċju tax-Xjenza DOE f'San Diego. Huma riedu jkunu jafu jekk it-tungstenu jistax jintuża biex jgħaqqad il-kamra tal-vakwu tat-tokamak—jipproteġiha minn qerda mgħaġġla kkawżata mill-effetti tal-plażma—mingħajr ma tikkontamina ħafna l-plażma nnifisha. Din il-kontaminazzjoni, jekk mhux immaniġġjata biżżejjed, tista' fl-aħħar mill-aħħar titfi r-reazzjoni tal-fużjoni.

"Konna qed nippruvaw niddeterminaw liema żoni fil-kamra jkunu partikolarment ħżiena: fejn it-tungstenu kien l-aktar probabbli li jiġġenera impuritajiet li jistgħu jikkontaminaw il-plażma," qal Unterberg.

Biex isibu dan, ir-riċerkaturi użaw iżotopu arrikkit tat-tungstenu, W-182, flimkien ma 'l-iżotopu mhux modifikat, biex jintraċċaw l-erożjoni, it-trasport u d-depożizzjoni mill-ġdid tat-tungstenu minn ġewwa d-divertor. Meta wieħed iħares lejn il-moviment tat-tungstenu fi ħdan id-divertor—żona fi ħdan il-kamra tal-vakwu ddisinjata biex tiddevja l-plażma u l-impuritajiet—tahom stampa aktar ċara ta 'kif titnaqqar minn uċuħ fi ħdan it-tokamak u jinteraġixxi mal-plażma. L-isotopi tat-tungstenu arrikkit għandu l-istess proprjetajiet fiżiċi u kimiċi bħat-tungstenu regolari. L-esperimenti f'DIII-D użaw inserzjonijiet żgħar tal-metall miksija bl-iżotopu arrikkit imqiegħed qrib, iżda mhux fl-ogħla żona tal-fluss tas-sħana, żona fil-bastiment tipikament imsejjaħ ir-reġjun tal-mira 'l bogħod tad-divertor. Separatament, f'reġjun divertor bl-ogħla flussi, il-punt tal-istrajk, ir-riċerkaturi użaw inserzjonijiet bl-iżotopu mhux modifikat. Il-bqija tal-kamra DIII-D hija korazzata bil-grafita.

Din is-settup ippermettiet lir-riċerkaturi jiġbru kampjuni fuq sondi speċjali mdaħħla temporanjament fil-kamra għall-kejl tal-fluss tal-impurità lejn u mill-armatura tal-bastiment, li jista 'jagħtihom idea aktar preċiża ta' fejn kien it-tungstenu li kien nixxija 'l bogħod mid-divertur fil-kamra. oriġinaw.

"L-użu tal-iżotopu arrikkit tana marka tas-swaba unika," qal Unterberg.

Kien l-ewwel esperiment bħal dan li sar f'apparat tal-fużjoni. Għan wieħed kien li jiġu ddeterminati l-aħjar materjali u post għal dawn il-materjali għall-armatura tal-kamra, filwaqt li jinżammu l-impuritajiet ikkawżati mill-interazzjonijiet tal-plażma-materjal fil-biċċa l-kbira tagħhom lid-divertur u ma jikkontaminawx il-plażma tal-qalba limitata mill-kalamita użata biex tipproduċi fużjoni.

Kumplikazzjoni waħda mad-disinn u l-operat tad-divertors hija l-kontaminazzjoni tal-impurità fil-plażma kkawżata minn modi lokalizzati fit-tarf, jew ELMs. Xi wħud minn dawn l-avvenimenti veloċi u ta 'enerġija għolja, simili għal murtali solari, jistgħu jagħmlu ħsara jew jeqirdu komponenti tal-bastiment bħal pjanċi divertor. Il-frekwenza tal-ELMs, il-ħinijiet kull sekonda dawn l-avvenimenti jseħħu, hija indikatur tal-ammont ta 'enerġija rilaxxata mill-plażma għall-ħajt. ELMs ta 'frekwenza għolja jistgħu jirrilaxxaw ammonti baxxi ta' plażma għal kull eruzzjoni, iżda jekk l-ELMs huma inqas frekwenti, il-plażma u l-enerġija rilaxxati għal kull eruzzjoni hija għolja, bi probabbiltà akbar għal ħsara. Riċerka reċenti ħares lejn modi biex tikkontrolla u żżid il-frekwenza ta 'ELMs, bħal b'injezzjoni ta' pellet jew kampi manjetiċi addizzjonali f'kobor żgħar ħafna.

It-tim ta 'Unterberg sab, kif stennew, li t-tungstenu 'l bogħod mill-punt ta' strajk ta 'fluss għoli żied ħafna l-probabbiltà ta' kontaminazzjoni meta espost għal ELMs ta 'frekwenza baxxa li għandhom kontenut ogħla ta' enerġija u kuntatt tal-wiċċ għal kull avveniment. Barra minn hekk, it-tim sab li dan ir-reġjun fil-mira 'l bogħod tad-divertor kien aktar suxxettibbli għall-kontaminazzjoni tas-SOL minkejja li ġeneralment ikollu flussi aktar baxxi mill-punt tal-istrajk. Dawn ir-riżultati apparentement kontrointuwittivi qed jiġu kkonfermati mill-isforzi kontinwi tal-immudellar tad-divertor fir-rigward ta 'dan il-proġett u esperimenti futuri fuq DIII-D.

Dan il-proġett involva tim ta’ esperti minn madwar l-Amerika ta’ Fuq, inklużi kollaboraturi minn Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, l-Università ta’ California f’San Diego, l-Università ta’ Toronto, l-Università ta 'Tennessee—Knoxville, u l-Università ta' Wisconsin-Madison, peress li pprovdew għodda sinifikanti għar-riċerka ta 'interazzjoni tal-plażma-materjal. L-Uffiċċju tax-Xjenza tal-DOE (Xjenzi tal-Enerġija mill-Fużjoni) ipprovda appoġġ għall-istudju.

It-tim ippubblika riċerka online aktar kmieni din is-sena fil-ġurnalFużjoni Nukleari.

Ir-riċerka tista' tibbenefika immedjatament lill-Joint European Torus, jew JET, u l-ITER, li issa qed jinbnew f'Cadarache, Franza, li t-tnejn jużaw armatura tat-tungstenu għad-divertur.

"Imma qed inħarsu lejn affarijiet lil hinn mill-ITER u l-JET—aħna qed inħarsu lejn ir-reatturi tal-fużjoni tal-futur," qal Unterberg. “Fejn huwa l-aħjar li tpoġġi t-tungstenu, u fejn m’għandekx tpoġġi t-tungstenu? L-għan aħħari tagħna huwa li narmaw ir-reatturi tal-fużjoni tagħna, meta jiġu, b’mod intelliġenti.”

Unterberg qal li l-grupp uniku ta 'Isotopi Stabbli ta' ORNL, li żviluppa u ttestja l-kisja tal-isotopi arrikkit qabel ma poġġih f'forma utli għall-esperiment, għamel ir-riċerka possibbli. Dak l-isotopi ma kienx ikun disponibbli imkien ħlief miċ-Ċentru Nazzjonali għall-Iżvilupp tal-Isotopi f'ORNL, li jżomm ħażniet ta 'kważi kull element separat iżotopikament, huwa qal.

"ORNL għandha kompetenza unika u xewqat partikolari għal dan it-tip ta 'riċerka," qal Unterberg. "Għandna wirt twil ta 'żvilupp ta' iżotopi u nużaw dawk f'kull tip ta 'riċerka f'applikazzjonijiet differenti madwar id-dinja."

Barra minn hekk, ORNL tamministra l-ITER tal-Istati Uniti.

Sussegwentement, it-tim se jħares lejn kif it-tqegħid tat-tungstenu f'diverters b'forma differenti jista 'jaffettwa l-kontaminazzjoni tal-qalba. Ġeometriji differenti tad-divertur jistgħu jimminimizzaw l-effetti tal-interazzjonijiet tal-plażma-materjal fuq il-plażma tal-qalba, huma teorizzaw. Li tkun taf l-aħjar forma għal divertor—komponent meħtieġ għal apparat tal-plażma ristrett manjetiku—tpoġġi lix-xjenzati pass eqreb lejn reattur tal-plażma vijabbli.

"Jekk aħna, bħala soċjetà, ngħidu li rridu li sseħħ l-enerġija nukleari, u rridu nimxu għall-istadju li jmiss," qal Unterberg, "il-fużjoni tkun il-Gral qaddis."