Wnętrza przyszłych reaktorów wykorzystujących energię syntezy jądrowej będą charakteryzować się najtrudniejszym środowiskiem, jakie kiedykolwiek powstało na Ziemi. Co jest wystarczająco mocne, aby chronić wnętrze reaktora termojądrowego przed strumieniami ciepła wytwarzanymi przez plazmę, podobnymi do tych, które występują w przypadku wahadłowców kosmicznych ponownie wchodzących w ziemską atmosferę?

Naukowcy z projektu ORNL wykorzystali wolfram naturalny (żółty) i wolfram wzbogacony (pomarańczowy) do śledzenia erozji, transportu i ponownego osadzania wolframu. Wolfram jest wiodącą opcją opancerzenia wnętrza urządzenia termojądrowego.

Zeke Unterberg i jego zespół w Narodowym Laboratorium Oak Ridge przy Departamencie Energii pracują obecnie z wiodącym kandydatem: wolframem, który ma najwyższą temperaturę topnienia i najniższą prężność par ze wszystkich metali w układzie okresowym, a także bardzo wysoką wytrzymałość na rozciąganie — właściwości, które sprawiają, że dobrze nadaje się do nadużywania przez długi czas. Koncentrują się na zrozumieniu, jak wolfram będzie działał w reaktorze termojądrowym – urządzeniu, które podgrzewa lekkie atomy do temperatury wyższej niż jądro Słońca, dzięki czemu ulegają stopieniu i uwalnianiu energii. Gazowy wodór w reaktorze termojądrowym przekształca się w plazmę wodorową – stan materii składający się z częściowo zjonizowanego gazu – który następnie jest ograniczany na małym obszarze przez silne pola magnetyczne lub lasery.

„Nie chcesz umieszczać w swoim reaktorze czegoś, co wystarczy na kilka dni” – powiedział Unterberg, starszy pracownik naukowy w dziale energii termojądrowej ORNL. „Chcesz mieć wystarczające życie. Umieszczamy wolfram w obszarach, w których przewidujemy, że bombardowanie plazmowe będzie bardzo intensywne”.

W 2016 roku Unterberg i zespół rozpoczęli eksperymenty w tokamaku, reaktorze termojądrowym wykorzystującym pola magnetyczne do przechowywania pierścienia plazmy, w DIII-D National Fusion Facility, obiekcie użytkownika DOE Office of Science w San Diego. Chcieli wiedzieć, czy wolframu można użyć do opancerzenia komory próżniowej tokamaka – chroniąc ją przed szybkim zniszczeniem spowodowanym działaniem plazmy – bez silnego zanieczyszczenia samej plazmy. Zanieczyszczenie to, jeśli nie zostanie dostatecznie opanowane, może ostatecznie ugasić reakcję termojądrową.

„Próbowaliśmy określić, które obszary komory byłyby szczególnie złe: gdzie wolfram najprawdopodobniej wytwarzał zanieczyszczenia, które mogą zanieczyścić plazmę” – powiedział Unterberg.

Aby to ustalić, badacze wykorzystali wzbogacony izotop wolframu W-182 wraz z niezmodyfikowanym izotopem, aby prześledzić erozję, transport i ponowne osadzanie się wolframu z wnętrza dywertora. Przyglądając się ruchowi wolframu w odchylaczu – obszarze w komorze próżniowej zaprojektowanym do odwracania plazmy i zanieczyszczeń – dało im wyraźniejszy obraz tego, w jaki sposób ulega on erozji z powierzchni tokamaka i wchodzi w interakcję z plazmą. Wzbogacony izotop wolframu ma takie same właściwości fizyczne i chemiczne jak zwykły wolfram. W eksperymentach w DIII-D wykorzystano małe metalowe wkładki pokryte wzbogaconym izotopem, umieszczone blisko strefy największego strumienia ciepła, czyli obszaru statku, zwanego zwykle obszarem dalekiego celu dywersora, ale nie w nim. Oddzielnie, w obszarze odchylającym o najwyższych strumieniach, czyli w punkcie uderzenia, badacze zastosowali wstawki z niezmodyfikowanym izotopem. Pozostała część komory DIII-D jest opancerzona grafitem.

Taka konfiguracja umożliwiła naukowcom pobieranie próbek na specjalnych sondach tymczasowo umieszczonych w komorze w celu pomiaru przepływu zanieczyszczeń do i z pancerza statku, co mogło dać im dokładniejsze wyobrażenie o tym, gdzie wolfram wyciekł z dywertora do komory. zapoczątkowany.

„Zastosowanie wzbogaconego izotopu dało nam unikalny odcisk palca” – powiedział Unterberg.

Był to pierwszy taki eksperyment przeprowadzony w urządzeniu termojądrowym. Jednym z celów było określenie najlepszych materiałów i lokalizacji tych materiałów na pancerz komory, przy jednoczesnym zatrzymaniu zanieczyszczeń spowodowanych interakcjami plazma-materiał w dużej mierze w obrębie dywertora i nie zanieczyszczając plazmy rdzenia zamkniętej magnesem używanej do wytwarzania syntezy jądrowej.

Jedną z komplikacji związanych z konstrukcją i działaniem odwracaczy jest zanieczyszczenie plazmy zanieczyszczeniami spowodowane modami zlokalizowanymi na krawędziach, czyli ELM. Niektóre z tych szybkich, wysokoenergetycznych zdarzeń, podobnych do rozbłysków słonecznych, mogą uszkodzić lub zniszczyć elementy statku, takie jak płyty odchylające. Częstotliwość ELMów i czas wystąpienia tych zdarzeń na sekundę jest wskaźnikiem ilości energii uwalnianej z plazmy do ściany. ELM o wysokiej częstotliwości mogą uwalniać niewielkie ilości plazmy na erupcję, ale jeśli ELM są rzadsze, plazma i energia uwalniane podczas erupcji są wysokie, z większym prawdopodobieństwem uszkodzenia. W ostatnich badaniach szukano sposobów kontrolowania i zwiększania częstotliwości ELM, na przykład poprzez wstrzykiwanie granulatu lub dodatkowe pola magnetyczne o bardzo małych wielkościach.

Zespół Unterberga odkrył, zgodnie z oczekiwaniami, że umieszczenie wolframu daleko od punktu uderzenia o dużym strumieniu znacznie zwiększa prawdopodobieństwo zanieczyszczenia w przypadku wystawienia na działanie ELM o niskiej częstotliwości, które mają wyższą zawartość energii i kontakt z powierzchnią w każdym przypadku. Ponadto zespół odkrył, że ten obszar dalekiego celu odchylającego był bardziej podatny na zanieczyszczenie SOL, mimo że generalnie miał niższe strumienie niż punkt uderzenia. Te pozornie sprzeczne z intuicją wyniki potwierdzają trwające wysiłki w zakresie modelowania dywertorów w związku z tym projektem i przyszłymi eksperymentami na DIII-D.

W projekcie tym uczestniczył zespół ekspertów z całej Ameryki Północnej, w tym współpracownicy z Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, University of California w San Diego, University of Toronto, University of Tennessee-Knoxville i University of Wisconsin-Madison, ponieważ dostarczyły istotnego narzędzia do badań interakcji plazma-materiał. Biuro Naukowe DOE (Fusion Energy Sciences) zapewniło wsparcie dla badania.

Na początku tego roku zespół opublikował wyniki badań w Internecie w czasopiśmieFuzja nuklearna.

Badania mogłyby natychmiast przynieść korzyści wspólnemu europejskiemu torusowi, czyli JET, i ITER, obecnie budowanym w Cadarache we Francji, w których w obydwóch zastosowano pancerz wolframowy jako dywertor.

„Ale my patrzymy na rzeczy wykraczające poza ITER i JET – patrzymy na reaktory termojądrowe przyszłości” – powiedział Unterberg. „Gdzie najlepiej umieszczać wolfram, a gdzie nie należy umieszczać wolframu? Naszym ostatecznym celem jest inteligentne opancerzenie naszych reaktorów termojądrowych, gdy już się pojawią”.

Unterberg powiedział, że badania umożliwiła unikalna grupa stabilnych izotopów ORNL, która opracowała i przetestowała wzbogaconą powłokę izotopową przed nadaniem jej formy przydatnej w eksperymencie. Izotop ten nie byłby dostępny nigdzie indziej, jak tylko w Narodowym Centrum Rozwoju Izotopów w ORNL, które przechowuje zapasy prawie każdego pierwiastka oddzielonego izotopowo, powiedział.

„ORNL ma wyjątkową wiedzę specjalistyczną i szczególne pragnienia w zakresie tego typu badań” – powiedział Unterberg. „Mamy długą tradycję opracowywania izotopów i wykorzystywania ich we wszelkiego rodzaju badaniach w różnych zastosowaniach na całym świecie”.

Ponadto ORNL zarządza amerykańskim ITER.

Następnie zespół przyjrzy się, jak umieszczenie wolframu w dywersorach o różnych kształtach może wpłynąć na zanieczyszczenie rdzenia. Teoretyzują, że różne geometrie odchylaczy mogą zminimalizować wpływ interakcji plazma-materiał na plazmę rdzenia. Znajomość najlepszego kształtu dywertora – niezbędnego elementu urządzenia plazmowego z magnesem – przybliżyłaby naukowców o krok do działającego reaktora plazmowego.

„Jeśli jako społeczeństwo powiemy, że chcemy energii jądrowej i chcemy przejść do następnego etapu” – powiedział Unterberg – „fuzja będzie świętym Graalem”.