Interiorul viitoarelor reactoare de fuziune nucleară va fi printre cele mai dure medii produse vreodată pe Pământ. Ce este suficient de puternic pentru a proteja interiorul unui reactor de fuziune de fluxurile de căldură produse de plasmă asemănătoare cu navetele spațiale care reintră în atmosfera Pământului?

Cercetătorii ORNL au folosit wolfram natural (galben) și tungsten îmbogățit (portocaliu) pentru a urmări eroziunea, transportul și repunerea tungstenului. Tungstenul este opțiunea principală pentru a blinda interiorul unui dispozitiv de fuziune.

Zeke Unterberg și echipa sa de la Laboratorul Național Oak Ridge al Departamentului de Energie lucrează în prezent cu candidatul principal: wolfram, care are cel mai înalt punct de topire și cea mai scăzută presiune de vapori dintre toate metalele din tabelul periodic, precum și o rezistență foarte mare la tracțiune. proprietăți care îl fac potrivit pentru a lua abuz pe perioade lungi de timp. Aceștia se concentrează pe înțelegerea modului în care wolfram ar funcționa în interiorul unui reactor de fuziune, un dispozitiv care încălzește atomii de lumină la temperaturi mai ridicate decât miezul soarelui, astfel încât aceștia să fuzioneze și să elibereze energie. Hidrogenul gazos dintr-un reactor de fuziune este transformat în plasmă de hidrogen - o stare a materiei care constă din gaz parțial ionizat - care este apoi limitată într-o regiune mică de câmpuri magnetice puternice sau lasere.

„Nu vrei să pui ceva în reactorul tău care durează doar câteva zile”, a spus Unterberg, cercetător senior în cadrul Diviziei de energie de fuziune a ORNL. „Vrei să ai o viață suficientă. Am pus wolfram în zonele în care anticipăm că vor fi bombardamente foarte mari cu plasmă.”

În 2016, Unterberg și echipa au început să efectueze experimente în tokamak, un reactor de fuziune care folosește câmpuri magnetice pentru a conține un inel de plasmă, la DIII-D National Fusion Facility, o facilitate pentru utilizatori DOE Office of Science din San Diego. Au vrut să știe dacă wolfram ar putea fi folosit pentru a blinda camera cu vid a tokamakului - protejându-l de distrugerea rapidă cauzată de efectele plasmei - fără a contamina puternic plasma însăși. Această contaminare, dacă nu este gestionată suficient, ar putea în cele din urmă stinge reacția de fuziune.

„Am încercat să stabilim ce zone din cameră ar fi deosebit de proaste: unde wolfram era cel mai probabil să genereze impurități care pot contamina plasma”, a spus Unterberg.

Pentru a descoperi acest lucru, cercetătorii au folosit un izotop îmbogățit de wolfram, W-182, împreună cu izotopul nemodificat, pentru a urmări eroziunea, transportul și redepunerea tungstenului din interiorul deviatorului. Privind mișcarea tungstenului în interiorul divertorului - o zonă din camera de vid concepută pentru a devia plasma și impuritățile - le-a oferit o imagine mai clară a modului în care se erodează de pe suprafețele din tokamak și interacționează cu plasma. Izotopul de wolfram îmbogățit are aceleași proprietăți fizice și chimice ca și tungstenul obișnuit. Experimentele de la DIII-D au folosit mici inserții metalice acoperite cu izotop îmbogățit plasate aproape de, dar nu la, cea mai mare zonă de flux de căldură, o zonă din vas numită de obicei regiunea țintă îndepărtată a divertorului. Separat, la o regiune divertor cu cele mai mari fluxuri, punctul de impact, cercetătorii au folosit inserții cu izotopul nemodificat. Restul camerei DIII-D este blindat cu grafit.

Această configurație le-a permis cercetătorilor să colecteze probe pe sonde speciale introduse temporar în cameră pentru măsurarea fluxului de impurități către și dinspre armura vasului, ceea ce le-ar putea oferi o idee mai precisă despre locul în care wolfram care s-a scurs din divertor în cameră. provenit.

„Folosirea izotopului îmbogățit ne-a oferit o amprentă digitală unică”, a spus Unterberg.

A fost primul astfel de experiment realizat într-un dispozitiv de fuziune. Unul dintre obiective a fost acela de a determina cele mai bune materiale și locație pentru aceste materiale pentru blindajul camerei, păstrând în același timp impuritățile cauzate de interacțiunile plasmă-material conținute în mare parte în divertor și nu contaminând plasma de miez limitată de magnet utilizată pentru a produce fuziunea.

O complicație cu proiectarea și funcționarea deviatoarelor este contaminarea cu impurități în plasmă cauzată de moduri localizate pe margine sau ELM-uri. Unele dintre aceste evenimente rapide, de mare energie, asemănătoare erupțiilor solare, pot deteriora sau distruge componentele navei, cum ar fi plăcile de deviație. Frecvența ELM-urilor, timpii pe secundă care au loc aceste evenimente, este un indicator al cantității de energie eliberată din plasmă către perete. ELM-urile de înaltă frecvență pot elibera cantități mici de plasmă per erupție, dar dacă ELM-urile sunt mai puțin frecvente, plasma și energia eliberate pe erupție sunt mari, cu o probabilitate mai mare de deteriorare. Cercetările recente au analizat modalități de control și creștere a frecvenței ELM-urilor, cum ar fi injecția de granule sau câmpuri magnetice suplimentare la magnitudini foarte mici.

Echipa lui Unterberg a descoperit, așa cum se aștepta, că avand tungstenul departe de punctul de impact cu flux înalt a crescut foarte mult probabilitatea de contaminare atunci când este expus la ELM-uri de joasă frecvență care au un conținut mai mare de energie și un contact de suprafață pe eveniment. În plus, echipa a descoperit că această regiune țintă îndepărtată a deviatorului a fost mai predispusă la contaminarea SOL, chiar dacă are, în general, fluxuri mai mici decât punctul de impact. Aceste rezultate aparent contraintuitive sunt confirmate de eforturile continue de modelare a divertorului în legătură cu acest proiect și experimentele viitoare pe DIII-D.

Acest proiect a implicat o echipă de experți din toată America de Nord, inclusiv colaboratori de la Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, University of California din San Diego, University of Toronto, Universitatea din Tennessee-Knoxville și Universitatea din Wisconsin-Madison, deoarece a oferit un instrument semnificativ pentru cercetarea interacțiunii plasma-material. Biroul de Știință al DOE (Fusion Energy Sciences) a oferit sprijin pentru studiu.

Echipa a publicat cercetările online la începutul acestui an în jurnalFuziunea nucleară.

De cercetare ar putea beneficia imediat Joint European Torus, sau JET, și ITER, acum în construcție în Cadarache, Franța, ambele utilizând armuri de tungsten pentru deviator.

„Dar ne uităm la lucruri dincolo de ITER și JET – ne uităm la reactoarele de fuziune ale viitorului”, a spus Unterberg. „Unde este cel mai bine să puneți wolfram și unde nu ar trebui să puneți wolfram? Scopul nostru final este să blindăm reactoarele noastre de fuziune, atunci când vin, într-un mod inteligent.”

Unterberg a spus că grupul unic de izotopi stabili al ORNL, care a dezvoltat și testat acoperirea cu izotop îmbogățit înainte de a o pune într-o formă utilă pentru experiment, a făcut cercetarea posibilă. Acel izotop nu ar fi fost disponibil nicăieri decât de la Centrul Național de Dezvoltare a Izotopilor de la ORNL, care menține un stoc de aproape fiecare element separat izotopic, a spus el.

„ORNL are o expertiză unică și dorințe speciale pentru acest tip de cercetare”, a spus Unterberg. „Avem o moștenire lungă de dezvoltare a izotopilor și folosirea acestora în tot felul de cercetări în diferite aplicații din întreaga lume.”

În plus, ORNL administrează US ITER.

În continuare, echipa va analiza modul în care punerea tungstenului în divertoare de formă diferită ar putea afecta contaminarea miezului. Geometriile diferitelor deviatoare ar putea minimiza efectele interacțiunilor plasmă-material asupra plasmei de bază, au teoretizat ei. Cunoașterea celei mai bune forme pentru un divertor - o componentă necesară pentru un dispozitiv cu plasmă limitată magnetic - i-ar aduce pe oamenii de știință cu un pas mai aproape de un reactor de plasmă viabil.

„Dacă noi, ca societate, spunem că vrem ca energia nucleară să aibă loc și vrem să trecem la următoarea etapă”, a spus Unterberg, „fuziunea ar fi Sfântul Graal”.