De binnenkant van toekomstige kernfusie-energiereactoren zal tot de zwaarste omgevingen behoren die ooit op aarde zijn geproduceerd. Wat is sterk genoeg om de binnenkant van een fusiereactor te beschermen tegen door plasma geproduceerde warmtestromen, vergelijkbaar met space shuttles die de atmosfeer van de aarde opnieuw binnendringen?

ORNL-onderzoekers gebruikten natuurlijk wolfraam (geel) en verrijkt wolfraam (oranje) om de erosie, het transport en de herafzetting van wolfraam te traceren. Wolfraam is de belangrijkste optie om de binnenkant van een fusie-apparaat te bepantseren.

Zeke Unterberg en zijn team van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy werken momenteel met de belangrijkste kandidaat: wolfraam, dat het hoogste smeltpunt en de laagste dampdruk heeft van alle metalen op het periodiek systeem, evenals een zeer hoge treksterkte. eigenschappen die het zeer geschikt maken om langdurig misbruik te maken. Ze willen begrijpen hoe wolfraam zou werken in een fusiereactor, een apparaat dat lichte atomen verwarmt tot temperaturen hoger dan de kern van de zon, zodat ze samensmelten en energie vrijgeven. Waterstofgas in een fusiereactor wordt omgezet in waterstofplasma – een toestand van materie die bestaat uit gedeeltelijk geïoniseerd gas – dat vervolgens door sterke magnetische velden of lasers in een klein gebied wordt opgesloten.

"Je wilt niet iets in je reactor stoppen dat maar een paar dagen meegaat", zegt Unterberg, senior onderzoekswetenschapper bij de Fusion Energy Division van ORNL. “Je wilt voldoende levensduur hebben. We plaatsen wolfraam in gebieden waar we verwachten dat er zeer hoge plasmabombardementen zullen plaatsvinden.”

In 2016 begonnen Unterberg en het team experimenten uit te voeren in de tokamak, een fusiereactor die magnetische velden gebruikt om een ​​ring plasma te bevatten, in de DIII-D National Fusion Facility, een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science in San Diego. Ze wilden weten of wolfraam kon worden gebruikt om de vacuümkamer van de tokamak te bepantseren – en deze te beschermen tegen snelle vernietiging veroorzaakt door de effecten van plasma – zonder het plasma zelf zwaar te vervuilen. Als deze verontreiniging niet voldoende wordt beheerd, zou deze uiteindelijk de fusiereactie kunnen doven.

"We probeerden te bepalen welke gebieden in de kamer bijzonder slecht zouden zijn: waar het wolfraam het meest waarschijnlijk onzuiverheden zou genereren die het plasma kunnen vervuilen," zei Unterberg.

Om dat te ontdekken gebruikten de onderzoekers een verrijkte isotoop van wolfraam, W-182, samen met de ongemodificeerde isotoop, om de erosie, het transport en de herafzetting van wolfraam vanuit de divertor te volgen. Door naar de beweging van wolfraam in de divertor te kijken – een gebied in de vacuümkamer dat is ontworpen om plasma en onzuiverheden af ​​te leiden – kregen ze een duidelijker beeld van hoe het erodeert van oppervlakken in de tokamak en interageert met het plasma. De verrijkte wolfraamisotoop heeft dezelfde fysische en chemische eigenschappen als gewoon wolfraam. Bij de experimenten bij DIII-D werd gebruik gemaakt van kleine metalen inzetstukken bedekt met de verrijkte isotoop die dicht bij, maar niet bij, de hoogste warmtefluxzone waren geplaatst, een gebied in het vat dat doorgaans het verre-doelgebied van de divertor wordt genoemd. Afzonderlijk gebruikten onderzoekers in een divertorgebied met de hoogste fluxen, het trefpunt, inserts met de ongemodificeerde isotoop. De rest van de DIII-D-kamer is gepantserd met grafiet.

Dankzij deze opstelling konden de onderzoekers monsters verzamelen op speciale sondes die tijdelijk in de kamer waren geplaatst om de onzuiverheidsstroom van en naar het pantser van het vat te meten, waardoor ze een nauwkeuriger idee konden krijgen van waar het wolfraam dat van de divertor in de kamer was gelekt, was terechtgekomen. ontstaan.

"Het gebruik van de verrijkte isotoop gaf ons een unieke vingerafdruk", zei Unterberg.

Het was het eerste dergelijke experiment dat werd uitgevoerd in een fusieapparaat. Eén doel was om de beste materialen en locatie voor deze materialen voor kamerbepantsering te bepalen, terwijl onzuiverheden veroorzaakt door interacties tussen plasma en materiaal grotendeels in de divertor beperkt bleven en het door magneten begrensde kernplasma dat werd gebruikt om fusie te produceren, niet werden verontreinigd.

Een complicatie bij het ontwerp en de werking van divertors is besmetting met onzuiverheden in het plasma, veroorzaakt door edge-localized modes of ELM's. Sommige van deze snelle, hoogenergetische gebeurtenissen, vergelijkbaar met zonnevlammen, kunnen scheepsonderdelen zoals divertorplaten beschadigen of vernietigen. De frequentie van de ELM's, het aantal keren per seconde dat deze gebeurtenissen plaatsvinden, is een indicator voor de hoeveelheid energie die door het plasma naar de muur wordt vrijgegeven. Hoogfrequente ELM's kunnen per uitbarsting kleine hoeveelheden plasma vrijgeven, maar als de ELM's minder frequent voorkomen, is het plasma en de energie die vrijkomen per uitbarsting hoog, met een grotere kans op schade. Recent onderzoek heeft gekeken naar manieren om de frequentie van ELM's te controleren en te verhogen, zoals met pelletinjectie of extra magnetische velden met zeer kleine magnitudes.

Het team van Unterberg ontdekte, zoals ze verwachtten, dat het feit dat het wolfraam ver van het hoge-flux-inslagpunt ligt de kans op besmetting aanzienlijk vergroot bij blootstelling aan laagfrequente ELM's met een hogere energie-inhoud en oppervlaktecontact per gebeurtenis. Bovendien ontdekte het team dat dit verre doelgebied van de divertor gevoeliger was voor besmetting van de SOL, ook al heeft het over het algemeen lagere fluxen dan het trefpunt. Deze ogenschijnlijk contra-intuïtieve resultaten worden bevestigd door voortdurende inspanningen op het gebied van divertormodellering in verband met dit project en toekomstige experimenten met DIII-D.

Bij dit project was een team van experts uit heel Noord-Amerika betrokken, waaronder medewerkers van het Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, de University of California in San Diego, de University of Toronto, de Universiteit van Tennessee-Knoxville en de Universiteit van Wisconsin-Madison, omdat deze een belangrijk hulpmiddel vormden voor onderzoek naar interacties tussen plasma en materiaal. DOE's Office of Science (Fusion Energy Sciences) verleende steun voor het onderzoek.

Het team publiceerde eerder dit jaar onderzoek online in het tijdschriftKernfusie.

Het onderzoek zou onmiddellijk ten goede kunnen komen aan de Joint European Torus, of JET, en ITER, die nu in aanbouw zijn in Cadarache, Frankrijk, die beide wolfraampantsers gebruiken voor de divertor.

“Maar we kijken naar dingen die verder gaan dan ITER en JET – we kijken naar de fusiereactoren van de toekomst,” zei Unterberg. “Waar kun je wolfraam het beste plaatsen, en waar juist niet? Ons uiteindelijke doel is om onze fusiereactoren, als ze er komen, op een slimme manier te bepantseren.”

Unterberg zei dat de unieke Stable Isotopes Group van ORNL, die de verrijkte isotoopcoating ontwikkelde en testte voordat deze in een voor het experiment bruikbare vorm werd gebracht, het onderzoek mogelijk maakte. Die isotoop zou nergens anders verkrijgbaar zijn geweest dan bij het National Isotope Development Centre van ORNL, dat een voorraad aanhoudt van bijna elk element dat isotopisch gescheiden is, zei hij.

“ORNL heeft unieke expertise en specifieke wensen voor dit soort onderzoek”, aldus Unterberg. “We hebben een lange geschiedenis in het ontwikkelen van isotopen en het gebruik ervan in allerlei soorten onderzoek in verschillende toepassingen over de hele wereld.”

Daarnaast beheert ORNL US ITER.

Vervolgens zal het team bekijken hoe het plaatsen van wolfraam in verschillend gevormde divertoren de vervuiling van de kern kan beïnvloeden. Verschillende divertorgeometrieën zouden de effecten van plasma-materiaalinteracties op het kernplasma kunnen minimaliseren, zo hebben ze getheoretiseerd. Het kennen van de beste vorm voor een divertor – een noodzakelijk onderdeel van een magnetisch begrensd plasmaapparaat – zou wetenschappers een stap dichter bij een levensvatbare plasmareactor brengen.

“Als we als samenleving zeggen dat we kernenergie willen realiseren, en we willen naar de volgende fase gaan,” zei Unterberg, “zou kernfusie de heilige graal zijn.”