Innsiden av fremtidige atomfusjonsenergireaktorer vil være blant de tøffeste miljøene som noen gang er produsert på jorden. Hva er sterkt nok til å beskytte innsiden av en fusjonsreaktor mot plasmaproduserte varmestrømmer som ligner romferger som går inn i jordens atmosfære igjen?

ORNL-forskere brukte naturlig wolfram (gul) og beriket wolfram (oransje) for å spore erosjon, transport og gjenavsetning av wolfram. Tungsten er det ledende alternativet for å pansere innsiden av en fusjonsenhet.

Zeke Unterberg og teamet hans ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory jobber for tiden med den ledende kandidaten: wolfram, som har det høyeste smeltepunktet og det laveste damptrykket av alle metaller i det periodiske systemet, samt svært høy strekkfasthet— egenskaper som gjør den godt egnet til å ta overgrep over lengre tid. De er fokusert på å forstå hvordan wolfram ville fungere inne i en fusjonsreaktor, en enhet som varmer opp lysatomer til temperaturer varmere enn solens kjerne, slik at de smelter sammen og frigjør energi. Hydrogengass i en fusjonsreaktor omdannes til hydrogenplasma - en materietilstand som består av delvis ionisert gass - som deretter begrenses i et lite område av sterke magnetiske felt eller lasere.

"Du vil ikke sette noe i reaktoren din som bare varer et par dager," sa Unterberg, seniorforsker i ORNLs Fusion Energy Division. "Du vil ha tilstrekkelig levetid. Vi legger wolfram i områder der vi forventer at det vil være svært høye plasmabombardementer.»

I 2016 begynte Unterberg og teamet å utføre eksperimenter i tokamak, en fusjonsreaktor som bruker magnetiske felt for å inneholde en ring av plasma, ved DIII-D National Fusion Facility, et DOE Office of Science-brukeranlegg i San Diego. De ønsket å vite om wolfram kunne brukes til å ruste tokamakens vakuumkammer – beskytte det mot rask ødeleggelse forårsaket av effekten av plasma – uten å forurense selve plasmaet sterkt. Denne forurensningen, hvis den ikke håndteres tilstrekkelig, kan til slutt slukke fusjonsreaksjonen.

"Vi prøvde å finne ut hvilke områder i kammeret som ville være spesielt ille: hvor wolfram var mest sannsynlig å generere urenheter som kan forurense plasmaet," sa Unterberg.

For å finne det brukte forskerne en beriket isotop av wolfram, W-182, sammen med den umodifiserte isotopen, for å spore erosjon, transport og gjenavsetning av wolfram fra avlederen. Å se på bevegelsen av wolfram i avlederen - et område i vakuumkammeret designet for å avlede plasma og urenheter - ga dem et klarere bilde av hvordan det eroderer fra overflater i tokamak og samhandler med plasmaet. Den anrikede wolframisotopen har de samme fysiske og kjemiske egenskapene som vanlig wolfram. Eksperimentene ved DIII-D brukte små metallinnsatser belagt med den anrikede isotopen plassert nær, men ikke ved, den høyeste varmeflukssonen, et område i fartøyet som typisk kalles avlederens fjernmålsregion. Separat, i en avlederregion med de høyeste fluksene, streikepunktet, brukte forskere innsatser med den umodifiserte isotopen. Resten av DIII-D-kammeret er pansret med grafitt.

Dette oppsettet gjorde det mulig for forskerne å samle prøver på spesielle sonder midlertidig satt inn i kammeret for å måle urenhetsstrømmen til og fra fartøyets panser, noe som kunne gi dem en mer presis ide om hvor wolfram som hadde lekket bort fra avlederen inn i kammeret. oppsto.

"Å bruke den berikede isotopen ga oss et unikt fingeravtrykk," sa Unterberg.

Det var det første slike eksperimentet utført i en fusjonsenhet. Et mål var å bestemme de beste materialene og plasseringen for disse materialene for kammerpansring, samtidig som urenheter forårsaket av plasma-materiale-interaksjoner i stor grad inneholdt til avlederen og ikke forurenset det magnetbegrensede kjerneplasmaet som ble brukt til å produsere fusjon.

En komplikasjon med utformingen og driften av avledere er forurensning av urenheter i plasmaet forårsaket av kantlokaliserte moduser, eller ELM-er. Noen av disse raske hendelsene med høy energi, i likhet med solflammer, kan skade eller ødelegge fartøyskomponenter som avlederplater. Frekvensen av ELM-ene, gangene per sekund disse hendelsene oppstår, er en indikator på mengden energi som frigjøres fra plasmaet til veggen. Høyfrekvente ELM-er kan frigjøre lave mengder plasma per utbrudd, men hvis ELM-ene er sjeldnere, er plasmaet og energien som frigjøres per utbrudd høy, med større sannsynlighet for skade. Nyere forskning har sett på måter å kontrollere og øke frekvensen av ELM, for eksempel med pelletsinjeksjon eller ytterligere magnetiske felt i svært små størrelser.

Unterbergs team fant, som de forventet, at det å ha wolfram langt fra høyflux-treffpunktet økte sannsynligheten for forurensning når de ble utsatt for lavfrekvente ELM-er som har høyere energiinnhold og overflatekontakt per hendelse. I tillegg fant teamet ut at denne fjernmålsregionen var mer utsatt for forurensning av SOL selv om den generelt har lavere flukser enn treffpunktet. Disse tilsynelatende kontraintuitive resultatene bekreftes av pågående avledermodelleringsarbeid i forhold til dette prosjektet og fremtidige eksperimenter på DIII-D.

Dette prosjektet involverte et team av eksperter fra hele Nord-Amerika, inkludert samarbeidspartnere fra Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, University of California i San Diego, University of Toronto, University of Tennessee—Knoxville og University of Wisconsin-Madison, da det ga et betydelig verktøy for forskning på plasma-materialinteraksjoner. DOEs Office of Science (Fusion Energy Sciences) ga støtte til studien.

Teamet publiserte forskning på nettet tidligere i år i tidsskriftetKjernefysisk fusjon.

Forskningen kan umiddelbart være til nytte for Joint European Torus, eller JET, og ITER, som nå er under bygging i Cadarache, Frankrike, som begge bruker wolframrustning for avlederen.

"Men vi ser på ting utover ITER og JET - vi ser på fremtidens fusjonsreaktorer," sa Unterberg. «Hvor er det best å legge wolfram, og hvor bør man ikke legge wolfram? Vårt endelige mål er å pansere fusjonsreaktorene våre, når de kommer, på en smart måte.»

Unterberg sa at ORNLs unike Stable Isotopes Group, som utviklet og testet det berikede isotopbelegget før det ble satt i en form som var nyttig for eksperimentet, gjorde forskningen mulig. Den isotopen ville ikke vært tilgjengelig andre steder enn fra National Isotope Development Center på ORNL, som opprettholder et lager av nesten alle elementer isotopisk atskilt, sa han.

"ORNL har unik ekspertise og spesielle ønsker for denne typen forskning," sa Unterberg. "Vi har en lang arv av å utvikle isotoper og bruke dem i all slags forskning i forskjellige applikasjoner rundt om i verden."

I tillegg forvalter ORNL US ITER.

Deretter vil teamet se på hvordan å sette wolfram i forskjellig formede avledere kan påvirke forurensning av kjernen. Ulike avledergeometrier kan minimere effekten av plasma-materiale-interaksjoner på kjerneplasmaet, har de teoretisert. Å kjenne den beste formen for en avleder - en nødvendig komponent for en magnetisk begrenset plasmaenhet - ville sette forskerne ett skritt nærmere en levedyktig plasmareaktor.

"Hvis vi som samfunn sier at vi vil at atomenergi skal skje, og vi ønsker å gå videre til neste stadium," sa Unterberg, "ville fusjon være den hellige gral."