O interior dos futuros reatores de energia de fusão nuclear estará entre os ambientes mais severos já produzidos na Terra. O que é forte o suficiente para proteger o interior de um reator de fusão dos fluxos de calor produzidos por plasma, semelhantes aos dos ônibus espaciais que reentram na atmosfera da Terra?

Os pesquisadores do ORNL usaram tungstênio natural (amarelo) e tungstênio enriquecido (laranja) para rastrear a erosão, transporte e redeposição de tungstênio. O tungstênio é a principal opção para blindar o interior de um dispositivo de fusão.

Zeke Unterberg e sua equipe do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia estão atualmente trabalhando com o principal candidato: o tungstênio, que tem o ponto de fusão mais alto e a pressão de vapor mais baixa de todos os metais na tabela periódica, bem como uma resistência à tração muito alta. propriedades que o tornam adequado para sofrer abusos por longos períodos de tempo. Eles estão focados em entender como o tungstênio funcionaria dentro de um reator de fusão, um dispositivo que aquece átomos leves a temperaturas mais altas que o núcleo do Sol, para que eles se fundam e liberem energia. O gás hidrogênio em um reator de fusão é convertido em plasma de hidrogênio – um estado da matéria que consiste em gás parcialmente ionizado – que é então confinado em uma pequena região por fortes campos magnéticos ou lasers.

“Você não quer colocar algo em seu reator que dure apenas alguns dias”, disse Unterberg, pesquisador sênior da Divisão de Energia de Fusão do ORNL. “Você quer ter vida útil suficiente. Colocamos tungstênio em áreas onde prevemos que haverá um bombardeio de plasma muito alto.”

Em 2016, Unterberg e a equipe começaram a conduzir experimentos no tokamak, um reator de fusão que usa campos magnéticos para conter um anel de plasma, no DIII-D National Fusion Facility, uma instalação do DOE Office of Science em San Diego. Eles queriam saber se o tungstênio poderia ser usado para blindar a câmara de vácuo do tokamak – protegendo-a da rápida destruição causada pelos efeitos do plasma – sem contaminar fortemente o próprio plasma. Esta contaminação, se não for suficientemente gerida, poderá acabar por extinguir a reacção de fusão.

“Estávamos tentando determinar quais áreas da câmara seriam particularmente ruins: onde o tungstênio teria maior probabilidade de gerar impurezas que poderiam contaminar o plasma”, disse Unterberg.

Para descobrir isso, os investigadores usaram um isótopo enriquecido de tungsténio, W-182, juntamente com o isótopo não modificado, para rastrear a erosão, transporte e redeposição de tungsténio de dentro do divertor. Observar o movimento do tungstênio dentro do divertor – uma área dentro da câmara de vácuo projetada para desviar plasma e impurezas – deu-lhes uma imagem mais clara de como ele sofre erosão nas superfícies dentro do tokamak e interage com o plasma. O isótopo de tungstênio enriquecido possui as mesmas propriedades físicas e químicas do tungstênio normal. Os experimentos no DIII-D usaram pequenas inserções de metal revestidas com o isótopo enriquecido colocadas perto, mas não na zona de maior fluxo de calor, uma área no recipiente normalmente chamada de região do alvo distante do divertor. Separadamente, em uma região do divertor com fluxos mais altos, o ponto de ataque, os pesquisadores usaram insertos com o isótopo não modificado. O restante da câmara DIII-D é blindado com grafite.

Esta configuração permitiu aos pesquisadores coletar amostras em sondas especiais temporariamente inseridas na câmara para medir o fluxo de impurezas de e para a armadura do navio, o que poderia dar-lhes uma ideia mais precisa de onde o tungstênio que vazou do divertor para a câmara foi originado.

“Usar o isótopo enriquecido nos deu uma impressão digital única”, disse Unterberg.

Foi o primeiro experimento desse tipo realizado em um dispositivo de fusão. Um dos objetivos era determinar os melhores materiais e a localização desses materiais para a blindagem da câmara, mantendo as impurezas causadas pelas interações plasma-material em grande parte contidas no divertor e não contaminando o plasma do núcleo confinado ao ímã usado para produzir a fusão.

Uma complicação com o projeto e operação de desviadores é a contaminação por impurezas no plasma causada por modos localizados nas bordas, ou ELMs. Alguns destes eventos rápidos e de alta energia, semelhantes às explosões solares, podem danificar ou destruir componentes da embarcação, tais como placas divertoras. A frequência dos ELMs, o número de vezes por segundo em que esses eventos ocorrem, é um indicador da quantidade de energia liberada do plasma para a parede. Os ELMs de alta frequência podem liberar pequenas quantidades de plasma por erupção, mas se os ELMs forem menos frequentes, o plasma e a energia liberados por erupção são altos, com maior probabilidade de danos. Pesquisas recentes procuraram maneiras de controlar e aumentar a frequência de ELMs, como injeção de pellets ou campos magnéticos adicionais em magnitudes muito pequenas.

A equipe de Unterberg descobriu, como esperavam, que ter o tungstênio longe do ponto de ataque de alto fluxo aumentou muito a probabilidade de contaminação quando exposto a ELMs de baixa frequência que possuem maior conteúdo de energia e contato superficial por evento. Além disso, a equipe descobriu que esta região do alvo distante do desvio era mais propensa à contaminação do SOL, embora geralmente tenha fluxos mais baixos do que o ponto de ataque. Esses resultados aparentemente contra-intuitivos estão sendo confirmados por esforços contínuos de modelagem de divertores em relação a este projeto e experimentos futuros em DIII-D.

Este projeto envolveu uma equipe de especialistas de toda a América do Norte, incluindo colaboradores do Laboratório de Física de Plasma de Princeton, Laboratório Nacional Lawrence Livermore, Laboratórios Nacionais Sandia, ORNL, General Atomics, Universidade de Auburn, Universidade da Califórnia em San Diego, Universidade de Toronto, a Universidade do Tennessee — Knoxville e a Universidade de Wisconsin-Madison, pois forneceu uma ferramenta significativa para a pesquisa de interação plasma-material. O Office of Science do DOE (Fusion Energy Sciences) forneceu apoio para o estudo.

A equipe publicou uma pesquisa on-line no início deste ano na revistaFusão Nuclear.

A investigação poderia beneficiar imediatamente o Joint European Torus, ou JET, e o ITER, actualmente em construção em Cadarache, França, ambos os quais utilizam armadura de tungsténio para o divertor.

“Mas estamos olhando para coisas além do ITER e do JET – estamos olhando para os reatores de fusão do futuro”, disse Unterberg. “Onde é melhor colocar tungstênio e onde você não deve colocar tungstênio? Nosso objetivo final é blindar nossos reatores de fusão, quando eles surgirem, de maneira inteligente.”

Unterberg disse que o Grupo de Isótopos Estáveis ​​exclusivo do ORNL, que desenvolveu e testou o revestimento isotópico enriquecido antes de colocá-lo em uma forma útil para o experimento, tornou a pesquisa possível. Esse isótopo não estaria disponível em nenhum outro lugar, exceto no Centro Nacional de Desenvolvimento de Isótopos do ORNL, que mantém um estoque de quase todos os elementos separados isotopicamente, disse ele.

“ORNL tem experiência única e desejos específicos para este tipo de pesquisa”, disse Unterberg. “Temos um longo legado no desenvolvimento de isótopos e na sua utilização em todos os tipos de investigação em diferentes aplicações em todo o mundo.”

Além disso, o ORNL administra o ITER dos EUA.

A seguir, a equipe analisará como a colocação de tungstênio em desviadores de formatos diferentes pode afetar a contaminação do núcleo. Diferentes geometrias de desvio poderiam minimizar os efeitos das interações plasma-material no plasma central, teorizaram. Conhecer a melhor forma de um divertor – um componente necessário para um dispositivo de plasma magnético confinado – colocaria os cientistas um passo mais perto de um reator de plasma viável.

“Se nós, como sociedade, dissermos que queremos que a energia nuclear aconteça e quisermos passar para a próxima fase”, disse Unterberg, “a fusão seria o Santo Graal”.