भविष्यमा परमाणु फ्युजन ऊर्जा रिएक्टरहरूको भित्री भाग पृथ्वीमा उत्पादन हुने सबैभन्दा कठोर वातावरणहरू मध्ये एक हुनेछ। पृथ्वीको वायुमण्डलमा पुन: प्रवेश गर्ने अन्तरिक्ष यानहरू जस्तै प्लाज्मा-उत्पादित ताप प्रवाहहरूबाट फ्यूजन रिएक्टरको भित्री भागलाई सुरक्षित गर्न पर्याप्त बलियो के छ?

ORNL अनुसन्धानकर्ताहरूले प्राकृतिक टंगस्टन (पहेंलो) र समृद्ध टंगस्टन (सुन्तला) को क्षरण, ढुवानी र टंगस्टनको पुन: भण्डारण ट्रेस गर्न प्रयोग गरे। टंगस्टन फ्युजन उपकरण भित्र कवच को लागी अग्रणी विकल्प हो।

ऊर्जा विभागको ओक रिज राष्ट्रिय प्रयोगशालामा Zeke Unterberg र उनको टोलीले हाल अग्रणी उम्मेद्वारसँग काम गर्दैछ: टंगस्टन, जसमा आवधिक तालिकामा सबै धातुहरूको उच्चतम पग्लने बिन्दु र सबैभन्दा कम वाष्प चाप छ, साथै धेरै उच्च तन्य शक्ति- गुणहरू जसले यसलाई लामो समयसम्म दुरुपयोग गर्न उपयुक्त बनाउँछ। तिनीहरू फ्यूजन रिएक्टर भित्र टंगस्टनले कसरी काम गर्छ भन्ने कुरा बुझ्नमा केन्द्रित छन्, एउटा यन्त्र जसले प्रकाशको परमाणुहरूलाई सूर्यको केन्द्रभन्दा तातो तापक्रममा तताउँछ ताकि तिनीहरू फ्यूज हुन्छन् र ऊर्जा छोड्छन्। फ्युजन रिएक्टरमा हाइड्रोजन ग्यासलाई हाइड्रोजन प्लाज्मामा परिणत गरिन्छ - पदार्थको अवस्था जसमा आंशिक रूपमा आयनीकृत ग्यास हुन्छ - जुन त्यसपछि बलियो चुम्बकीय क्षेत्र वा लेजरहरूद्वारा सानो क्षेत्रमा सीमित हुन्छ।

ORNL को फ्युजन एनर्जी डिभिजनका वरिष्ठ अनुसन्धान वैज्ञानिक अन्टरबर्गले भने, "तपाई आफ्नो रिएक्टरमा केहि दिन चाहनु हुन्न जुन केहि दिन मात्र चल्छ।" "तपाईं पर्याप्त जीवनकाल पाउन चाहनुहुन्छ। हामीले धेरै उच्च प्लाज्मा बमबारी हुने अनुमान गरेका क्षेत्रहरूमा टंगस्टन राख्छौं। ”

2016 मा, Unterberg र टोलीले Tokamak मा प्रयोगहरू सञ्चालन गर्न थाले, एक फ्यूजन रिएक्टर जसले प्लाज्माको औंठी समावेश गर्न चुम्बकीय-फिल्डहरू प्रयोग गर्दछ, DIII-D नेशनल फ्युजन सुविधा, सान डिएगोमा DOE अफिस अफ साइन्स प्रयोगकर्ता सुविधामा। तिनीहरू जान्न चाहन्थे कि टोकामाकको भ्याकुम चेम्बरलाई कवच बनाउन टंगस्टन प्रयोग गर्न सकिन्छ कि प्लाज्माको प्रभावले गर्दा हुने द्रुत विनाशबाट जोगाउन-प्लाज्मा आफैलाई दूषित नगरी। यो प्रदूषण, यदि पर्याप्त रूपमा व्यवस्थित छैन भने, अन्ततः फ्यूजन प्रतिक्रिया निभाउन सक्छ।

"हामीले चेम्बरका कुन क्षेत्रहरू विशेष गरी खराब हुनेछन् भनेर निर्धारण गर्ने प्रयास गरिरहेका थियौं: जहाँ टंगस्टनले प्लाज्मालाई दूषित गर्न सक्ने अशुद्धता उत्पन्न गर्ने सम्भावना थियो," अनटरबर्गले भने।

त्यो पत्ता लगाउन, अन्वेषकहरूले टंगस्टनको समृद्ध आइसोटोप, W-182, अपरिवर्तित आइसोटोपको साथ प्रयोग गरे, डाइभर्टर भित्रबाट टंगस्टनको क्षरण, यातायात र पुन: भण्डारण ट्रेस गर्न। डाइभर्टर भित्र टंगस्टनको आन्दोलनलाई हेरेर - प्लाज्मा र अशुद्धताहरू हटाउन डिजाइन गरिएको भ्याकुम चेम्बर भित्रको क्षेत्र - उनीहरूलाई टोकामाक भित्रका सतहहरूबाट कसरी क्षय हुन्छ र प्लाज्मासँग अन्तरक्रिया हुन्छ भन्ने स्पष्ट चित्र दियो। समृद्ध टंगस्टन आइसोटोपमा नियमित टंगस्टन जस्तै भौतिक र रासायनिक गुणहरू हुन्छन्। DIII-D मा भएका प्रयोगहरूले सम्वर्द्धित आइसोटोपको साथ लेपित सानो धातु इन्सर्टहरू प्रयोग गर्‍यो, तर सबैभन्दा उच्च ताप प्रवाह क्षेत्रको नजिक राखिएको थियो, जहाजको एउटा क्षेत्र जसलाई सामान्यतया डाइभर्टर टाढा-लक्ष्य क्षेत्र भनिन्छ। अलग रूपमा, उच्चतम प्रवाह, स्ट्राइक-पोइन्ट भएको डाइभर्टर क्षेत्रमा, अनुसन्धानकर्ताहरूले अपरिवर्तित आइसोटोपको साथ इन्सर्टहरू प्रयोग गरे। DIII-D च्याम्बरको बाँकी भाग ग्रेफाइटले सजाइएको छ।

यस सेटअपले अन्वेषकहरूलाई जहाजको आर्मरमा र भित्रबाट अशुद्धता प्रवाह नाप्नको लागि अस्थायी रूपमा च्याम्बरमा सम्मिलित विशेष जाँचहरूमा नमूनाहरू सङ्कलन गर्न अनुमति दियो, जसले तिनीहरूलाई चेम्बरमा डाइभर्टरबाट चुहिएको टंगस्टन कहाँ थियो भन्ने बारे थप सटीक विचार दिन सक्छ। उत्पत्ति भएको।

"समृद्ध आइसोटोपको प्रयोगले हामीलाई एक अद्वितीय फिंगरप्रिन्ट दियो," अनटरबर्गले भने।

फ्युजन उपकरणमा गरिएको यो पहिलो यस्तो प्रयोग थियो। एउटा लक्ष्य भनेको चेम्बर आर्मरिंगका लागि यी सामग्रीहरूको लागि उत्तम सामग्री र स्थान निर्धारण गर्नु थियो, जबकि प्लाज्मा-सामग्री अन्तरक्रियाको कारणले गर्दा हुने अशुद्धताहरू धेरै मात्रामा डाइभर्टरमा निहित र फ्युजन उत्पादन गर्न प्रयोग हुने चुम्बक-सीमित कोर प्लाज्मालाई दूषित नगर्ने।

डाइभर्टरहरूको डिजाइन र सञ्चालनमा एउटा जटिलता एज-लोकलाइज्ड मोडहरू, वा ELMs द्वारा हुने प्लाज्मामा अशुद्धता प्रदूषण हो। यी मध्ये केही द्रुत, उच्च-ऊर्जा घटनाहरू, सौर्य ज्वालाहरू जस्तै, डाइभर्टर प्लेटहरू जस्ता जहाजका घटकहरूलाई क्षति वा नष्ट गर्न सक्छ। ELM को फ्रिक्वेन्सी, प्रति सेकेन्ड यी घटनाहरू घट्ने समय, प्लाज्माबाट भित्तामा निस्कने ऊर्जाको मात्राको सूचक हो। उच्च-फ्रिक्वेन्सी ELM ले प्रति विस्फोटन कम मात्रामा प्लाज्मा जारी गर्न सक्छ, तर यदि ELM हरू कम बारम्बार छन् भने, प्लाज्मा र ऊर्जा प्रति विस्फोटन उच्च हुन्छ, क्षतिको ठूलो सम्भावनाको साथ। भर्खरको अनुसन्धानले ELM को फ्रिक्वेन्सी नियन्त्रण र बढाउने तरिकाहरू हेरेको छ, जस्तै गोली इन्जेक्शन वा धेरै सानो परिमाणमा अतिरिक्त चुम्बकीय क्षेत्रहरू।

Unterberg को टोलीले उनीहरूले अपेक्षा गरे अनुसार, उच्च-फ्लक्स स्ट्राइक-पोइन्टबाट टंगस्टन धेरै टाढा भएकोले कम आवृत्तिको ELM को सम्पर्कमा हुँदा प्रदूषणको सम्भावना धेरै बढ्छ जुन उच्च ऊर्जा सामग्री र प्रति घटना सतह सम्पर्क हुन्छ। थप रूपमा, टोलीले पत्ता लगायो कि यो डाइभर्टर टाढा-लक्ष्य क्षेत्र SOL लाई दूषित गर्ने बढी प्रवण थियो यद्यपि यसमा सामान्यतया स्ट्राइक-पोइन्ट भन्दा कम प्रवाह हुन्छ। यस परियोजनाको सम्बन्धमा चलिरहेको डाइभर्टर मोडेलिङ प्रयासहरू र DIII-D मा भविष्यका प्रयोगहरूद्वारा यी प्रतीतित काउन्टरइन्ट्युटिभ परिणामहरू पुष्टि भइरहेका छन्।

यस परियोजनामा ​​प्रिन्स्टन प्लाज्मा फिजिक्स ल्याबोरेटरी, लरेन्स लिभरमोर नेशनल ल्याबोरेटरी, स्यान्डिया नेशनल ल्याबोरेटरीज, ओआरएनएल, जनरल एटोमिक्स, औबर्न युनिभर्सिटी, क्यालिफोर्निया विश्वविद्यालय स्यान डिएगो, टोरन्टो विश्वविद्यालयका सहयोगीहरू सहित उत्तर अमेरिकाका विज्ञहरूको टोली समावेश थियो। टेनेसी विश्वविद्यालय-नोक्सभिल, र विस्कन्सिन-म्याडिसन विश्वविद्यालय, किनकि यसले महत्त्वपूर्ण उपकरण प्रदान गरेको छ। प्लाज्मा-सामग्री अन्तरक्रिया अनुसन्धानको लागि। DOE को विज्ञान कार्यालय (फ्यूजन ऊर्जा विज्ञान) ले अध्ययनको लागि सहयोग प्रदान गर्यो।

टोलीले यस वर्षको सुरुमा जर्नलमा अनलाइन अनुसन्धान प्रकाशित गरेको थियोआणविक फ्यूजन.

अनुसन्धानले तुरुन्तै संयुक्त युरोपेली टोरस, वा जेईटी, र आईटीईआरलाई फाइदा पुर्‍याउन सक्छ, अहिले क्याडाराचे, फ्रान्समा निर्माणाधीन छ, दुबैले डाइभर्टरको लागि टंगस्टन आर्मर प्रयोग गर्दछ।

"तर हामी ITER र JET भन्दा बाहिरका चीजहरू हेरिरहेका छौं - हामी भविष्यको फ्यूजन रिएक्टरहरू हेर्दैछौं," Unterberg भन्नुभयो। "टंगस्टन कहाँ राख्नु राम्रो हो, र तपाईंले टंगस्टन कहाँ राख्नु हुँदैन? हाम्रो अन्तिम लक्ष्य भनेको हाम्रो फ्युजन रिएक्टरहरू, जब तिनीहरू आउँछन्, एक स्मार्ट तरिकामा आर्मर गर्नु हो। ”

अनटरबर्गले भने कि ORNL को अद्वितीय स्टेबल आइसोटोप समूह, जसले प्रयोगको लागि उपयोगी फारममा राख्नु अघि समृद्ध आइसोटोप कोटिंगको विकास र परीक्षण गरेको थियो, अनुसन्धानलाई सम्भव बनायो। त्यो आइसोटोप कतै उपलब्ध हुने थिएन तर ORNL मा रहेको राष्ट्रिय आइसोटोप विकास केन्द्रबाट, जसले आइसोटोपिक रूपमा अलग गरिएको लगभग सबै तत्वहरूको भण्डार राख्छ, उनले भने।

"ओआरएनएलसँग यस प्रकारको अनुसन्धानको लागि अद्वितीय विशेषज्ञता र विशेष इच्छाहरू छन्," अनटरबर्गले भने। "हामीसँग आइसोटोपहरू विकास गर्ने र विश्वभरका विभिन्न अनुप्रयोगहरूमा सबै प्रकारका अनुसन्धानहरूमा प्रयोग गर्ने लामो विरासत छ।"

थप रूपमा, ORNL US ITER को प्रबन्ध गर्दछ।

अर्को, टोलीले विभिन्न आकारको डाइभर्टरहरूमा टंगस्टन राख्नाले कोरको प्रदूषणलाई कसरी असर गर्न सक्छ भनेर हेर्नेछ। विभिन्न डाइभर्टर ज्यामितिहरूले कोर प्लाज्मामा प्लाज्मा-सामग्री अन्तरक्रियाको प्रभावलाई कम गर्न सक्छ, तिनीहरूले सिद्धान्त गरेका छन्। चुम्बकीय-सीमित प्लाज्मा यन्त्रको लागि आवश्यक कम्पोनेन्ट - डाइभर्टरको लागि उत्तम आकार थाहा पाउनुले वैज्ञानिकहरूलाई व्यवहार्य प्लाज्मा रिएक्टरको एक कदम नजिक लैजान्छ।

"यदि हामी, एक समाजको रूपमा, हामी परमाणु ऊर्जा हुन चाहन्छौं भने, र हामी अर्को चरणमा जान चाहन्छौं," अनटरबर्गले भने, "फ्यूजन पवित्र ग्रेल हुनेछ।"