Pjesa e brendshme e reaktorëve të ardhshëm të energjisë së shkrirjes bërthamore do të jetë ndër mjediset më të ashpra të prodhuara ndonjëherë në Tokë. Çfarë është mjaft e fortë për të mbrojtur brendësinë e një reaktori të shkrirjes nga flukset e nxehtësisë të prodhuara nga plazma, të ngjashme me anijet kozmike që kthehen në atmosferën e Tokës?

Studiuesit e ORNL përdorën tungsten natyral (të verdhë) dhe tungsten të pasuruar (portokalli) për të gjurmuar erozionin, transportin dhe ridepozitimin e tungstenit. Tungsteni është opsioni kryesor për të blinduar brendësinë e një pajisjeje shkrirjeje.

Zeke Unterberg dhe ekipi i tij në Laboratorin Kombëtar të Departamentit të Energjisë në Oak Ridge po punojnë aktualisht me kandidatin kryesor: tungstenin, i cili ka pikën më të lartë të shkrirjes dhe presionin më të ulët të avullit nga të gjitha metalet në tabelën periodike, si dhe forcën shumë të lartë në tërheqje - pronat që e bëjnë atë të përshtatshme për abuzim për periudha të gjata kohore. Ata janë të fokusuar në të kuptuarit se si tungsteni do të funksiononte brenda një reaktori të shkrirjes, një pajisje që ngroh atomet e dritës në temperatura më të nxehta se bërthama e diellit, në mënyrë që ato të shkrihen dhe të çlirojnë energji. Gazi i hidrogjenit në një reaktor të shkrirjes shndërrohet në plazmë hidrogjeni - një gjendje lënde që përbëhet nga gaz pjesërisht i jonizuar - që më pas kufizohet në një rajon të vogël nga fusha të forta magnetike ose lazer.

"Ju nuk dëshironi të vendosni diçka në reaktorin tuaj që zgjat vetëm disa ditë," tha Unterberg, një shkencëtar i lartë kërkimor në Divizionin e Energjisë së Fusionit të ORNL. “Ju dëshironi të keni jetë të mjaftueshme. Ne vendosëm tungsten në zonat ku parashikojmë se do të ketë bombardime plazmatike shumë të larta.”

Në vitin 2016, Unterberg dhe ekipi filluan të kryenin eksperimente në tokamak, një reaktor i shkrirjes që përdor fusha magnetike për të përmbajtur një unazë plazme, në Facilitetin Kombëtar të Fusionit DIII-D, një objekt përdoruesi i Zyrës së Shkencës të DOE në San Diego. Ata donin të dinin nëse tungsteni mund të përdoret për të blinduar dhomën e vakumit të tokamak-ut - duke e mbrojtur atë nga shkatërrimi i shpejtë i shkaktuar nga efektet e plazmës - pa e ndotur shumë vetë plazmën. Ky kontaminim, nëse nuk menaxhohet mjaftueshëm, mund të shuajë përfundimisht reaksionin e shkrirjes.

“Ne po përpiqeshim të përcaktonim se cilat zona në dhomë do të ishin veçanërisht të këqija: ku tungsteni kishte më shumë gjasa të gjeneronte papastërti që mund të ndotin plazmën,” tha Unterberg.

Për të gjetur këtë, studiuesit përdorën një izotop të pasuruar të tungstenit, W-182, së bashku me izotopin e pamodifikuar, për të gjurmuar erozionin, transportin dhe ridepozitimin e tungstenit nga brenda divertorit. Duke parë lëvizjen e tungstenit brenda divertorit - një zonë brenda dhomës së vakumit të krijuar për të devijuar plazmën dhe papastërtitë - u dha atyre një pamje më të qartë se si ai gërryhet nga sipërfaqet brenda tokamak dhe ndërvepron me plazmën. Izotopi i pasuruar i tungstenit ka të njëjtat veti fizike dhe kimike si tungsteni i zakonshëm. Eksperimentet në DIII-D përdorën futje të vogla metalike të veshura me izotop të pasuruar të vendosur afër, por jo në zonën më të lartë të fluksit të nxehtësisë, një zonë në anije që zakonisht quhet rajoni i synuar larg devijuesit. Më vete, në një rajon devijues me flukset më të larta, pikën e goditjes, studiuesit përdorën inserte me izotop të pamodifikuar. Pjesa e mbetur e dhomës DIII-D është e blinduar me grafit.

Ky rregullim i lejoi studiuesit të mblidhnin mostra në sonda speciale të futura përkohësisht në dhomë për matjen e rrjedhës së papastërtisë në dhe nga armatura e anijes, gjë që mund t'u jepte atyre një ide më të saktë se ku kishte rrjedhur tungsteni që kishte rrjedhur nga divertori në dhomë. origjinën.

"Përdorimi i izotopit të pasuruar na dha një gjurmë gishti unike," tha Unterberg.

Ishte eksperimenti i parë i tillë i kryer në një pajisje shkrirjeje. Një qëllim ishte përcaktimi i materialeve dhe vendndodhjes më të mirë për këto materiale për blindimin e dhomës, duke mbajtur papastërtitë e shkaktuara nga ndërveprimet plazmatike-materiale të përfshira kryesisht në divertor dhe duke mos kontaminuar plazmën bërthamore të kufizuar me magnet që përdoret për të prodhuar shkrirje.

Një ndërlikim me projektimin dhe funksionimin e divertorëve është ndotja e papastërtive në plazmë e shkaktuar nga mënyrat e lokalizuara në skaj, ose ELM. Disa nga këto ngjarje të shpejta, me energji të lartë, të ngjashme me ndezjet diellore, mund të dëmtojnë ose shkatërrojnë komponentët e anijes, të tilla si pllakat e divertorëve. Frekuenca e ELM-ve, herë në sekondë ndodhin këto ngjarje, është një tregues i sasisë së energjisë së çliruar nga plazma në mur. ELM-të me frekuencë të lartë mund të lëshojnë sasi të ulëta të plazmës për shpërthim, por nëse ELM-të janë më pak të shpeshta, plazma dhe energjia e çliruar për shpërthim janë të larta, me një probabilitet më të madh për dëmtim. Hulumtimet e fundit kanë shqyrtuar mënyrat për të kontrolluar dhe rritur frekuencën e ELM-ve, të tilla si me injektimin e peletit ose fusha magnetike shtesë në madhësi shumë të vogla.

Ekipi i Unterberg zbuloi, siç pritej, se mbajtja e tungstenit larg nga pika e goditjes me fluks të lartë rriti shumë probabilitetin e ndotjes kur ekspozohej ndaj ELM-ve me frekuencë të ulët që kanë përmbajtje më të lartë energjie dhe kontakt sipërfaqësor për çdo ngjarje. Për më tepër, ekipi zbuloi se ky rajon i synuar larg devijuesit ishte më i prirur ndaj kontaminimit të SOL edhe pse në përgjithësi ka flukse më të ulëta se pika e goditjes. Këto rezultate në dukje kundërintuitive po konfirmohen nga përpjekjet e vazhdueshme të modelimit të divertorëve në lidhje me këtë projekt dhe eksperimentet e ardhshme mbi DIII-D.

Ky projekt përfshiu një ekip ekspertësh nga e gjithë Amerika e Veriut, duke përfshirë bashkëpunëtorë nga Laboratori i Fizikës së Plazmës Princeton, Laboratori Kombëtar Lawrence Livermore, Laboratorët Kombëtarë Sandia, ORNL, General Atomics, Universiteti Auburn, Universiteti i Kalifornisë në San Diego, Universiteti i Torontos, Universiteti i Tenesit-Knoxville dhe Universiteti i Wisconsin-Madison, pasi siguroi një mjet të rëndësishëm për Hulumtimi i ndërveprimit plazma-material. Zyra e Shkencës e DOE (Shkencat e Fusionit të Energjisë) ofroi mbështetje për studimin.

Ekipi publikoi kërkime në internet në fillim të këtij viti në revistëFusion bërthamor.

Hulumtimi mund të përfitojë menjëherë Joint European Torus, ose JET, dhe ITER, tani në ndërtim e sipër në Cadarache, Francë, të cilat të dyja përdorin forca të blinduara tungsteni për divertorin.

"Por ne po shikojmë gjëra përtej ITER dhe JET - ne po shikojmë në reaktorët e shkrirjes së së ardhmes," tha Unterberg. "Ku është më mirë të vendosni tungsten dhe ku nuk duhet të vendosni tungsten? Qëllimi ynë përfundimtar është të blindojmë reaktorët tanë të shkrirjes, kur të vijnë, në një mënyrë të zgjuar.”

Unterberg tha se Grupi unik i Izotopeve të Qëndrueshme të ORNL, i cili zhvilloi dhe testoi veshjen e pasuruar të izotopit përpara se ta vendoste atë në një formë të dobishme për eksperimentin, e bëri të mundur kërkimin. Ai izotop nuk do të ishte i disponueshëm askund, përveç nga Qendra Kombëtare e Zhvillimit të Izotopeve në ORNL, e cila mban një rezervë të pothuajse çdo elementi të ndarë në mënyrë izotopike, tha ai.

"ORNL ka ekspertizë unike dhe dëshira të veçanta për këtë lloj kërkimi," tha Unterberg. "Ne kemi një trashëgimi të gjatë të zhvillimit të izotopeve dhe përdorimit të tyre në të gjitha llojet e kërkimeve në aplikacione të ndryshme në mbarë botën."

Përveç kësaj, ORNL menaxhon US ITER.

Më pas, ekipi do të shikojë se si vendosja e tungstenit në devijues me forma të ndryshme mund të ndikojë në ndotjen e bërthamës. Gjeometritë e ndryshme të devijuesit mund të minimizojnë efektet e ndërveprimeve plazma-material në plazmën bërthamore, kanë teorizuar ata. Njohja e formës më të mirë për një divertor - një komponent i domosdoshëm për një pajisje plazme të kufizuar me magnet - do t'i bënte shkencëtarët një hap më afër një reaktori të qëndrueshëm të plazmës.

"Nëse ne, si shoqëri, themi se duam që energjia bërthamore të ndodhë dhe ne duam të kalojmë në fazën tjetër," tha Unterberg, "fusioni do të ishte graali i shenjtë".