Vnútro budúcich reaktorov na výrobu energie jadrovej syntézy bude patriť medzi najdrsnejšie prostredie, aké kedy na Zemi vzniklo. Čo je dostatočne silné na to, aby chránilo vnútro fúzneho reaktora pred tepelnými tokmi produkovanými plazmou podobnými raketoplánom vstupujúcim do zemskej atmosféry?

Výskumníci ORNL použili prírodný volfrám (žltý) a obohatený volfrám (oranžový) na sledovanie erózie, transportu a opätovného ukladania volfrámu. Volfrám je hlavnou možnosťou na pancierovanie vnútra fúzneho zariadenia.

Zeke Unterberg a jeho tím v Národnom laboratóriu Oak Ridge ministerstva energetiky v súčasnosti pracujú s hlavným kandidátom: volfrámom, ktorý má najvyššiu teplotu topenia a najnižší tlak pár zo všetkých kovov v periodickej tabuľke, ako aj veľmi vysokú pevnosť v ťahu – vlastnosti, vďaka ktorým je vhodný na dlhodobé zneužívanie. Zameriavajú sa na pochopenie toho, ako by volfrám fungoval vo fúznom reaktore, čo je zariadenie, ktoré ohrieva ľahké atómy na teploty vyššie ako slnečné jadro, aby sa spojili a uvoľnili energiu. Vodíkový plyn vo fúznom reaktore sa premieňa na vodíkovú plazmu - stav hmoty, ktorý pozostáva z čiastočne ionizovaného plynu - ktorý je potom obmedzený v malej oblasti silnými magnetickými poľami alebo lasermi.

"Nechcete dať do svojho reaktora niečo, čo vydrží len pár dní," povedal Unterberg, vedúci výskumný pracovník v divízii fúznej energie ORNL. „Chceš mať dostatočný život. Volfrám sme umiestnili do oblastí, kde predpokladáme, že bude veľmi silné plazmové bombardovanie.

V roku 2016 Unterberg a tím začali vykonávať experimenty v tokamaku, fúznom reaktore, ktorý využíva magnetické polia na zachytenie kruhu plazmy, v DIII-D National Fusion Facility, používateľskom zariadení DOE Office of Science v San Diegu. Chceli vedieť, či sa dá volfrám použiť na pancierovanie vákuovej komory tokamaku – chráni ho pred rýchlou deštrukciou spôsobenou účinkami plazmy – bez toho, aby silne kontaminoval samotnú plazmu. Táto kontaminácia, ak nie je dostatočne riadená, by mohla nakoniec uhasiť fúznu reakciu.

"Snažili sme sa určiť, ktoré oblasti v komore by boli obzvlášť zlé: kde volfrám s najväčšou pravdepodobnosťou vytvára nečistoty, ktoré môžu kontaminovať plazmu," povedal Unterberg.

Aby to vedci zistili, použili obohatený izotop volfrámu W-182 spolu s nemodifikovaným izotopom na sledovanie erózie, transportu a opätovného ukladania volfrámu zvnútra divertora. Pohľad na pohyb volfrámu v divertore - oblasti vo vákuovej komore určenej na odvádzanie plazmy a nečistôt - im dal jasnejší obraz o tom, ako eroduje z povrchov v tokamaku a interaguje s plazmou. Obohatený izotop volfrámu má rovnaké fyzikálne a chemické vlastnosti ako bežný volfrám. Experimenty v DIII-D používali malé kovové vložky potiahnuté obohateným izotopom umiestnené blízko, ale nie v, oblasti s najvyšším tepelným tokom, oblasti v nádobe, ktorá sa zvyčajne nazýva oblasť vzdialeného cieľa divertora. Oddelene, v oblasti divertora s najvyššími tokmi, bodom úderu, výskumníci použili vložky s nemodifikovaným izotopom. Zvyšok komory DIII-D je pancierovaný grafitom.

Toto nastavenie umožnilo výskumníkom zbierať vzorky na špeciálnych sondách dočasne vložených do komory na meranie prietoku nečistôt do a z panciera nádoby, čo im mohlo poskytnúť presnejšiu predstavu o tom, kde sa dostal volfrám, ktorý unikol z divertoru do komory. vznikol.

"Použitie obohateného izotopu nám dalo jedinečný odtlačok prsta," povedal Unterberg.

Bol to prvý takýto experiment uskutočnený vo fúznom zariadení. Jedným cieľom bolo určiť najlepšie materiály a umiestnenie týchto materiálov na pancierovanie komôr, pričom nečistoty spôsobené interakciami plazma-materiál sa vo veľkej miere nachádzajú v divertore a neznečisťujú plazmu jadra obmedzenú magnetom používanú na výrobu fúzie.

Jednou komplikáciou pri konštrukcii a prevádzke divertorov je kontaminácia plazmy nečistotami spôsobená režimami lokalizovanými na hrane alebo ELM. Niektoré z týchto rýchlych udalostí s vysokou energiou, ktoré sa podobajú slnečným erupciám, môžu poškodiť alebo zničiť komponenty plavidiel, ako sú napríklad divertorové platne. Frekvencia ELM, časy za sekundu, kedy sa tieto udalosti vyskytujú, sú indikátorom množstva energie uvoľnenej z plazmy do steny. Vysokofrekvenčné ELM môžu uvoľniť malé množstvo plazmy na erupciu, ale ak sú ELM menej časté, plazma a energia uvoľnená pri erupcii je vysoká, s väčšou pravdepodobnosťou poškodenia. Nedávny výskum sa zameral na spôsoby kontroly a zvýšenia frekvencie ELM, napríklad pomocou vstrekovania peliet alebo dodatočných magnetických polí pri veľmi malých veľkostiach.

Unterbergov tím zistil, ako očakávali, že mať volfrám ďaleko od bodu úderu s vysokým tokom výrazne zvýšilo pravdepodobnosť kontaminácie pri vystavení nízkofrekvenčným ELM, ktoré majú vyšší energetický obsah a povrchový kontakt na udalosť. Okrem toho tím zistil, že táto vzdialená cieľová oblasť odvádzača bola náchylnejšia na kontamináciu SOL, aj keď má vo všeobecnosti nižšie toky ako bod úderu. Tieto zdanlivo kontraintuitívne výsledky potvrdzujú prebiehajúce snahy o modelovanie divertorov v súvislosti s týmto projektom a budúcimi experimentmi na DIII-D.

Na tomto projekte sa podieľal tím odborníkov z celej Severnej Ameriky, vrátane spolupracovníkov z Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratories, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, University of California v San Diegu, University of Toronto, University of Tennessee-Knoxville a University of Wisconsin-Madison, pretože poskytli významný nástroj na interakciu plazma-materiál výskumu. Vedecký úrad DOE (Fusion Energy Sciences) poskytol štúdiu podporu.

Tím publikoval výskum online začiatkom tohto roka v časopiseJadrová fúzia.

Výskum by mohol okamžite prospieť spoločným európskym torusom alebo JET a ITER, ktoré sú teraz vo výstavbe v Cadarache vo Francúzsku, pričom oba používajú volfrámové pancierovanie pre divertor.

"Pozeráme sa však na veci mimo ITER a JET - pozeráme sa na fúzne reaktory budúcnosti," povedal Unterberg. „Kde je najlepšie dať volfrám a kam by ste volfrám dávať nemali? Naším konečným cieľom je inteligentne obrniť naše fúzne reaktory, keď prídu.“

Unterberg uviedol, že výskum umožnila jedinečná skupina stabilných izotopov ORNL, ktorá vyvinula a testovala obohatený izotopový povlak predtým, ako ho dala do formy užitočnej pre experiment. Tento izotop by nebol dostupný nikde inde ako v Národnom centre pre vývoj izotopov v ORNL, ktoré udržiava zásoby takmer každého prvku izotopovo oddeleného, ​​povedal.

"ORNL má jedinečné odborné znalosti a osobitné túžby pre tento typ výskumu," povedal Unterberg. "Máme dlhé dedičstvo vývoja izotopov a ich používania vo všetkých druhoch výskumu v rôznych aplikáciách po celom svete."

Okrem toho ORNL riadi US ITER.

Ďalej sa tím pozrie na to, ako môže vloženie volfrámu do rôzne tvarovaných odvádzačov ovplyvniť kontamináciu jadra. Rôzne geometrie divertorov by mohli minimalizovať účinky interakcií plazma-materiál na jadrovú plazmu, teoretizovali. Poznanie najlepšieho tvaru pre divertor - nevyhnutný komponent pre magneticky obmedzené plazmové zariadenie - by vedcov posunulo o krok bližšie k životaschopnému plazmovému reaktoru.

„Ak ako spoločnosť povieme, že chceme jadrovú energiu a chceme prejsť do ďalšej fázy,“ povedal Unterberg, „fúzia by bola svätým grálom.