Notranjost prihodnjih reaktorjev za jedrsko fuzijo bo med najtežjimi okolji, ki so jih kdaj ustvarili na Zemlji. Kaj je dovolj močno, da zaščiti notranjost fuzijskega reaktorja pred toplotnimi tokovi, ki jih povzroča plazma, podobno vesoljskim raketoplanom, ki ponovno vstopijo v Zemljino atmosfero?

Raziskovalci ORNL so uporabili naravni volfram (rumena) in obogateni volfram (oranžna), da bi izsledili erozijo, transport in ponovno odlaganje volframa. Volfram je vodilna možnost za oklep notranjosti fuzijske naprave.

Zeke Unterberg in njegova ekipa v Nacionalnem laboratoriju Oak Ridge Ministrstva za energijo trenutno delajo z vodilnim kandidatom: volframom, ki ima najvišje tališče in najnižji parni tlak vseh kovin v periodnem sistemu, pa tudi zelo visoko natezno trdnost - lastnosti, zaradi katerih je primeren za dolgotrajno zlorabo. Osredotočeni so na razumevanje, kako bi volfram deloval v fuzijskem reaktorju, napravi, ki segreva lahke atome na temperature, ki so višje od sončnega jedra, tako da se spojijo in sprostijo energijo. Vodikov plin v fuzijskem reaktorju se pretvori v vodikovo plazmo – agregatno stanje, ki je sestavljeno iz delno ioniziranega plina – ki je nato omejeno v majhnem območju z močnimi magnetnimi polji ali laserji.

"V svoj reaktor ne želite dati nečesa, kar traja le nekaj dni," je dejal Unterberg, višji raziskovalec v ORNL-jevem oddelku za fuzijsko energijo. »Želiš imeti dovolj življenjske dobe. Volfram smo postavili na območja, kjer predvidevamo, da bo zelo močno plazemsko bombardiranje.«

Leta 2016 so Unterberg in ekipa začeli izvajati poskuse v tokamaku, fuzijskem reaktorju, ki uporablja magnetna polja za zadrževanje obroča plazme, v DIII-D National Fusion Facility, uporabniškem objektu Urada za znanost DOE v San Diegu. Želeli so vedeti, ali je volfram mogoče uporabiti za oklep vakuumske komore tokamaka, ki jo ščiti pred hitrim uničenjem zaradi učinkov plazme, ne da bi močno onesnažili samo plazmo. Ta kontaminacija, če je ne bi ustrezno obvladali, bi lahko nazadnje ugasnila fuzijsko reakcijo.

"Poskušali smo ugotoviti, katera območja v komori bi bila še posebej slaba: kjer bi volfram najverjetneje ustvaril nečistoče, ki bi lahko onesnažile plazmo," je dejal Unterberg.

Da bi to ugotovili, so raziskovalci uporabili obogateni izotop volframa, W-182, skupaj z nespremenjenim izotopom, da bi izsledili erozijo, transport in ponovno odlaganje volframa iz notranjosti preusmerjevalnika. Pogled na gibanje volframa znotraj divertorja - območje v vakuumski komori, namenjeno preusmerjanju plazme in nečistoč - jim je dal jasnejšo sliko o tem, kako erodira s površin znotraj tokamaka in sodeluje s plazmo. Obogateni volframov izotop ima enake fizikalne in kemične lastnosti kot običajni volfram. Poskusi na DIII-D so uporabili majhne kovinske vložke, prevlečene z obogatenim izotopom, nameščene blizu, vendar ne na območju najvišjega toplotnega toka, območju v posodi, ki se običajno imenuje divertorsko oddaljeno ciljno območje. Raziskovalci so ločeno uporabili vložke z nespremenjenim izotopom pri divertorski regiji z najvišjimi tokovi, udarni točki. Preostanek komore DIII-D je oklepljen z grafitom.

Ta nastavitev je raziskovalcem omogočila zbiranje vzorcev na posebnih sondah, ki so bile začasno vstavljene v komoro za merjenje pretoka nečistoč v oklep posode in iz nje, kar bi jim lahko dalo natančnejšo predstavo o tem, kje je bil volfram, ki je iz divertorja ušel v komoro. nastala.

"Uporaba obogatenega izotopa nam je dala edinstven prstni odtis," je dejal Unterberg.

To je bil prvi tak eksperiment, izveden v fuzijski napravi. Eden od ciljev je bil določiti najboljše materiale in lokacijo za te materiale za oklep komore, hkrati pa ohraniti nečistoče, ki jih povzročajo interakcije med plazmo in materialom, v veliki meri v divertorju in ne onesnažiti z magnetom omejene jedrne plazme, ki se uporablja za proizvodnjo fuzije.

Eden od zapletov pri načrtovanju in delovanju divertorjev je kontaminacija z nečistočami v plazmi, ki jo povzročajo robno lokalizirani načini ali ELM. Nekateri od teh hitrih, visokoenergijskih dogodkov, podobnih sončnim izbruhom, lahko poškodujejo ali uničijo komponente plovila, kot so divertorske plošče. Frekvenca ELM, čas na sekundo, ko se ti dogodki zgodijo, je pokazatelj količine energije, ki se sprosti iz plazme v steno. Visokofrekvenčni ELM lahko sprostijo majhne količine plazme na izbruh, če pa so ELM manj pogosti, sta plazma in energija, sproščena na izbruh, visoki, z večjo verjetnostjo poškodb. Nedavne raziskave so preučevale načine za nadzor in povečanje frekvence ELM, na primer z vbrizgavanjem peletov ali dodatnimi magnetnimi polji pri zelo majhnih magnitudah.

Unterbergova ekipa je ugotovila, kot je pričakovala, da je volfram daleč od udarne točke z visokim pretokom močno povečal verjetnost kontaminacije, ko je izpostavljen nizkofrekvenčnim ELM, ki imajo večjo vsebnost energije in površinski stik na dogodek. Poleg tega je skupina ugotovila, da je bila ta oddaljena ciljna regija divertorja bolj nagnjena k kontaminaciji SOL, čeprav ima na splošno nižje tokove kot udarna točka. Te na videz protislovne rezultate potrjujejo tekoča prizadevanja za modeliranje divertorja v zvezi s tem projektom in prihodnjimi poskusi na DIII-D.

Ta projekt je vključeval skupino strokovnjakov iz vse Severne Amerike, vključno s sodelavci iz Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, University of California v San Diegu, University of Toronto, Univerza Tennessee-Knoxville in Univerza Wisconsin-Madison, saj je zagotovila pomembno orodje za raziskave interakcij med plazmo in materialom. Urad DOE za znanost (Fusion Energy Sciences) je zagotovil podporo za študijo.

Ekipa je objavila raziskavo na spletu v začetku tega leta v revijiJedrska fuzija.

Raziskava bi lahko takoj koristila skupnemu evropskemu torusu ali JET in ITER, ki se zdaj gradi v Cadaracheju v Franciji, oba uporabljata volframov oklep za preusmerjevalnik.

»Vendar gledamo na stvari, ki presegajo ITER in JET – gledamo na fuzijske reaktorje prihodnosti,« je dejal Unterberg. »Kam je najbolje dati volfram in kam ne smete dati volframa? Naš končni cilj je na pameten način zaščititi naše fuzijske reaktorje, ko pridejo.«

Unterberg je dejal, da je raziskavo omogočila edinstvena skupina za stabilne izotope ORNL, ki je razvila in testirala obogateno izotopsko prevleko, preden jo je dala v obliko, uporabno za poskus. Ta izotop ne bi bil na voljo nikjer drugje kot v Nacionalnem centru za razvoj izotopov pri ORNL, ki hrani zalogo skoraj vseh izotopsko ločenih elementov, je dejal.

"ORNL ima edinstveno strokovno znanje in posebne želje za to vrsto raziskav," je dejal Unterberg. "Imamo dolgo zapuščino razvoja izotopov in njihove uporabe v vseh vrstah raziskav v različnih aplikacijah po vsem svetu."

Poleg tega ORNL upravlja ameriški ITER.

Nato bo ekipa preučila, kako lahko dajanje volframa v različno oblikovane preusmerjevalnike vpliva na kontaminacijo jedra. Teoretizirali so, da bi lahko različne geometrije divertorjev zmanjšale učinke interakcij plazme in materiala na jedro plazme. Če bi poznali najboljšo obliko divertorja - nujne komponente za magnetno zaprto plazemsko napravo - bi znanstvenike postavili korak bližje izvedljivemu plazemskemu reaktorju.

"Če kot družba rečemo, da želimo jedrsko energijo, in želimo preiti na naslednjo stopnjo," je dejal Unterberg, "bi bila fuzija sveti gral."