Внутри будущих термоядерных энергетических реакторов будет одна из самых суровых сред, когда-либо созданных на Земле. Что достаточно прочное, чтобы защитить внутреннюю часть термоядерного реактора от тепловых потоков, создаваемых плазмой, подобно космическим шаттлам, возвращающимся в атмосферу Земли?

Исследователи ORNL использовали природный вольфрам (желтый) и обогащенный вольфрам (оранжевый), чтобы проследить эрозию, транспортировку и переотложение вольфрама. Вольфрам — лучший вариант для брони внутренней части термоядерного устройства.

Зик Унтерберг и его команда из Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики в настоящее время работают с ведущим кандидатом: вольфрамом, который имеет самую высокую температуру плавления и самое низкое давление паров среди всех металлов в таблице Менделеева, а также очень высокую прочность на разрыв. свойства, которые делают его пригодным для длительного злоупотребления. Они сосредоточены на понимании того, как вольфрам будет работать внутри термоядерного реактора, устройства, которое нагревает легкие атомы до температур, превышающих температуру ядра Солнца, чтобы они плавились и выделяли энергию. Газообразный водород в термоядерном реакторе преобразуется в водородную плазму — состояние вещества, состоящее из частично ионизированного газа, — которое затем удерживается в небольшой области сильными магнитными полями или лазерами.

«Вы не хотите помещать в свой реактор что-то, что прослужит всего пару дней», — сказал Унтерберг, старший научный сотрудник отдела термоядерной энергетики ORNL. «Вы хотите иметь достаточную продолжительность жизни. Мы помещаем вольфрам в места, где, как мы ожидаем, будет очень сильная плазменная бомбардировка».

В 2016 году Унтерберг и его команда начали проводить эксперименты в токамаке, термоядерном реакторе, который использует магнитные поля для удержания плазменного кольца, в Национальной термоядерной установке DIII-D, пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США в Сан-Диего. Они хотели знать, можно ли использовать вольфрам для брони вакуумной камеры токамака, защищая ее от быстрого разрушения, вызванного воздействием плазмы, без сильного загрязнения самой плазмы. Это загрязнение, если с ним не справиться должным образом, может в конечном итоге погасить реакцию термоядерного синтеза.

«Мы пытались определить, какие области камеры будут особенно плохими: где вольфрам с наибольшей вероятностью будет генерировать примеси, которые могут загрязнить плазму», — сказал Унтерберг.

Чтобы обнаружить это, исследователи использовали обогащенный изотоп вольфрама W-182 вместе с немодифицированным изотопом, чтобы проследить эрозию, транспортировку и повторное отложение вольфрама изнутри дивертора. Наблюдение за движением вольфрама внутри дивертора — области внутри вакуумной камеры, предназначенной для отвода плазмы и примесей — дало им более четкое представление о том, как он разрушается с поверхностей внутри токамака и взаимодействует с плазмой. Обогащенный изотоп вольфрама имеет те же физические и химические свойства, что и обычный вольфрам. В экспериментах в DIII-D использовались небольшие металлические вставки, покрытые обогащенным изотопом, расположенные вблизи, но не в зоне наибольшего теплового потока, области в сосуде, обычно называемой дальней целевой областью дивертора. Отдельно в диверторной области с наибольшими потоками — точке страйка — исследователи использовали вставки с немодифицированным изотопом. Остальная часть камеры DIII-D бронирована графитом.

Эта установка позволила исследователям собирать образцы с помощью специальных зондов, временно вставленных в камеру для измерения потока примесей в броню судна и из нее, что могло дать им более точное представление о том, куда попал вольфрам, утекший из дивертора в камеру. возник.

«Использование обогащенного изотопа дало нам уникальный отпечаток пальца», — сказал Унтерберг.

Это был первый подобный эксперимент, проведенный в термоядерном устройстве. Одна из целей заключалась в том, чтобы определить лучшие материалы и место для этих материалов для брони камеры, сохраняя при этом примеси, вызванные взаимодействиями плазмы и материала, в основном, в диверторе и не загрязняя плазму ядра, удерживаемую магнитом, используемую для термоядерного синтеза.

Одной из сложностей при проектировании и эксплуатации диверторов является загрязнение плазмы примесями, вызванное модами, локализованными на краях, или ELM. Некоторые из этих быстрых и высокоэнергетических событий, подобных солнечным вспышкам, могут повредить или разрушить компоненты судна, такие как диверторные пластины. Частота ELM, то есть количество раз в секунду, когда происходят эти события, является показателем количества энергии, выделяемой из плазмы в стену. Высокочастотные ELM могут выделять небольшое количество плазмы за одно извержение, но если ELM происходят реже, плазма и энергия, выделяемые при извержении, высоки, что увеличивает вероятность повреждения. Недавние исследования изучали способы контроля и увеличения частоты ELM, например, с помощью инъекции гранул или дополнительных магнитных полей очень малой величины.

Команда Унтерберга обнаружила, как они и ожидали, что расположение вольфрама вдали от точки зажигания с высоким потоком значительно увеличивает вероятность загрязнения при воздействии низкочастотных ЭЛМ с более высоким содержанием энергии и поверхностным контактом на событие. Кроме того, команда обнаружила, что эта дальняя целевая область дивертора более склонна к загрязнению Солнца, даже несмотря на то, что она обычно имеет более низкие потоки, чем точка удара. Эти, казалось бы, нелогичные результаты подтверждаются продолжающимися усилиями по моделированию дивертора в рамках этого проекта и будущих экспериментов на DIII-D.

В этом проекте участвовала группа экспертов со всей Северной Америки, в том числе сотрудники из Принстонской лаборатории физики плазмы, Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, Сандийских национальных лабораторий, ORNL, General Atomics, Обернского университета, Калифорнийского университета в Сан-Диего, Университета Торонто, Университет Теннесси-Ноксвилл и Университет Висконсин-Мэдисон, поскольку они предоставили важный инструмент для исследования взаимодействия плазмы и материала. Научный отдел Министерства энергетики США (науки о термоядерной энергетике) оказал поддержку исследованию.

Ранее в этом году команда опубликовала исследование онлайн в журнале.Ядерный синтез.

Исследование может немедленно принести пользу Объединенному европейскому торусу (JET) и ИТЭР, строящимся сейчас в Кадараше, Франция, оба из которых используют вольфрамовую броню для дивертора.

«Но мы смотрим на вещи, выходящие за рамки ITER и JET — мы смотрим на термоядерные реакторы будущего», — сказал Унтерберг. «Где лучше всего класть вольфрам, а где не следует класть вольфрам? Наша конечная цель — разумно бронировать наши термоядерные реакторы, когда они появятся».

Унтерберг сказал, что уникальная группа стабильных изотопов ORNL, которая разработала и протестировала покрытие из обогащенных изотопов, прежде чем придать ему форму, полезную для эксперимента, сделала исследование возможным. По его словам, этот изотоп не был бы доступен нигде, кроме Национального центра разработки изотопов в ORNL, который хранит запасы почти каждого изотопно разделенного элемента, сказал он.

«ORNL обладает уникальным опытом и особым желанием проводить такого рода исследования», — сказал Унтерберг. «У нас есть давний опыт разработки изотопов и их использования во всех видах исследований в различных приложениях по всему миру».

Кроме того, ORNL управляет американским ИТЭР.

Далее команда рассмотрит, как размещение вольфрама в диверторах различной формы может повлиять на загрязнение активной зоны. Они предположили, что различная геометрия дивертора может минимизировать влияние взаимодействия плазмы и материала на плазму ядра. Знание наилучшей формы дивертора — необходимого компонента для устройства с магнитно-управляемой плазмой — позволило бы ученым на шаг приблизиться к созданию жизнеспособного плазменного реактора.

«Если мы, как общество, скажем, что хотим развития ядерной энергетики и хотим перейти на следующий этап, — сказал Унтерберг, — термоядерный синтез станет Святым Граалем».