Унутрашњост будућих енергетских реактора нуклеарне фузије биће међу најсуровијим окружењима икада произведеним на Земљи. Шта је довољно снажно да заштити унутрашњост фузионог реактора од топлотних токова произведених плазмом сличних свемирским шатловима који поново улазе у Земљину атмосферу?

ОРНЛ истраживачи су користили природни волфрам (жути) и обогаћени волфрам (наранџасти) да би пратили ерозију, транспорт и поновно таложење волфрама. Волфрам је водећа опција за оклоп унутрашњости уређаја за фузију.

Зеке Унтерберг и његов тим у Националној лабораторији Оак Ридге Министарства енергетике тренутно раде са водећим кандидатом: волфрамом, који има највишу тачку топљења и најнижи притисак паре од свих метала у периодичној табели, као и веома високу затезну чврстоћу— својства која га чине погодним за злостављање током дужег временског периода. Они су фокусирани на разумевање како би волфрам функционисао унутар фузионог реактора, уређаја који загрева светлосне атоме на температуре топлије од језгра Сунца, тако да се спајају и ослобађају енергију. Гас водоник у фузионом реактору се претвара у водоничну плазму – стање материје које се састоји од делимично јонизованог гаса – које је затим ограничено у малом региону јаким магнетним пољима или ласерима.

„Не желите да ставите нешто у свој реактор што траје само неколико дана“, рекао је Унтерберг, виши научник у ОРНЛ-овом одељењу за фузиону енергију. „Желите да имате довољан животни век. Стављамо волфрам у области за које очекујемо да ће бити веома високог плазма бомбардовања."

Унтерберг и тим су 2016. године почели да спроводе експерименте у токамаку, фузионом реактору који користи магнетна поља да садржи прстен плазме, у ДИИИ-Д Натионал Фусион Фацилити, корисничком објекту ДОЕ Оффице оф Сциенце у Сан Дијегу. Желели су да знају да ли би волфрам могао да се користи за оклоп вакуумске коморе токамака — штитећи је од брзог уништења изазваног ефектима плазме — без јаког загађења саме плазме. Ова контаминација, ако се не управља довољно, могла би на крају угасити реакцију фузије.

„Покушавали смо да утврдимо које области у комори би биле посебно лоше: где је волфрам највероватније генерисао нечистоће које могу да контаминирају плазму“, рекао је Унтерберг.

Да би то открили, истраживачи су користили обогаћени изотоп волфрама, В-182, заједно са немодификованим изотопом, да би пратили ерозију, транспорт и поновно таложење волфрама из дивертора. Посматрајући кретање волфрама унутар дивертора - области унутар вакуумске коморе дизајниране да преусмери плазму и нечистоће - дало им је јаснију слику о томе како он еродира са површина унутар токамака и ступа у интеракцију са плазмом. Обогаћени изотоп волфрама има иста физичка и хемијска својства као и обични волфрам. Експерименти на ДИИИ-Д користили су мале металне уметке обложене обогаћеним изотопом постављене близу, али не у зони највећег топлотног флукса, области у посуди која се обично назива далекометна област дивертора. Одвојено, у области дивертора са највећим флуксовима, тачком удара, истраживачи су користили уметке са немодификованим изотопом. Остатак ДИИИ-Д коморе је оклопљен графитом.

Ова поставка је омогућила истраживачима да прикупе узорке на специјалним сондама које су привремено убачене у комору за мерење протока нечистоћа у и из оклопа посуде, што би им могло дати прецизнију представу о томе где је волфрам који је исцурио из дивертора у комору настао.

„Употреба обогаћеног изотопа дала нам је јединствени отисак прста“, рекао је Унтерберг.

То је био први такав експеримент спроведен у уређају за фузију. Један циљ је био да се одреде најбољи материјали и локација за ове материјале за оклоп коморе, док се нечистоће узроковане интеракцијама плазме и материјала у великој мери задржавају у дивертору и не контаминирају плазму језгра ограниченог магнетом која се користи за производњу фузије.

Једна од компликација са дизајном и радом дивертора је контаминација нечистоћама у плазми узрокована модовима локализованим на ивицама или ЕЛМ-овима. Неки од ових брзих, високоенергетских догађаја, слични соларним бакљама, могу оштетити или уништити компоненте пловила као што су диверторске плоче. Учесталост ЕЛМ-а, времена у секунди када се ти догађаји дешавају, је индикатор количине енергије која се ослобађа из плазме у зид. Високофреквентни ЕЛМ-ови могу ослободити мале количине плазме по ерупцији, али ако су ЕЛМ-ови ређи, плазма и енергија ослобођена по ерупцији су високе, са већом вероватноћом оштећења. Недавна истраживања су разматрала начине за контролу и повећање фреквенције ЕЛМ-а, као што је убризгавање пелета или додатна магнетна поља на веома малим величинама.

Унтербергов тим је открио, као што је очекивао, да је волфрам далеко од тачке удара са високим флуксом увелико повећао вероватноћу контаминације када је изложен нискофреквентним ЕЛМ-овима који имају већи садржај енергије и површински контакт по догађају. Поред тога, тим је открио да је ова диверторска далекометна регија била склонија контаминацији СОЛ-а иако генерално има ниже флуксове од тачке удара. Ови наизглед контраинтуитивни резултати се потврђују текућим напорима диверторског моделирања у вези са овим пројектом и будућим експериментима на ДИИИ-Д.

Овај пројекат је укључивао тим стручњака из целе Северне Америке, укључујући сараднике из Принстонске лабораторије за физику плазме, Националне лабораторије Лавренце Ливерморе, Националне лабораторије Сандиа, ОРНЛ, Генерал Атомицс, Универзитета Аубурн, Универзитета Калифорније у Сан Дијегу, Универзитета у Торонту, Универзитет Тенеси – Ноксвил и Универзитет Висконсин-Медисон, јер је пружио значајно средство за истраживање интеракције плазме и материјала. Канцеларија за науку ДОЕ (Фусион Енерги Сциенцес) пружила је подршку за студију.

Тим је објавио истраживање на мрежи раније ове године у часописуНуцлеар Фусион.

Истраживање би могло одмах користити Заједничком европском Торусу, или ЈЕТ-у, и ИТЕР-у, који се сада гради у Цадарацхе-у у Француској, а оба користе волфрамов оклоп за дивертор.

„Али ми гледамо на ствари изван ИТЕР-а и ЈЕТ-а – гледамо у фузионе реакторе будућности“, рекао је Унтерберг. „Где је најбоље ставити волфрам, а где не треба ставити волфрам? Наш крајњи циљ је да оклопимо наше фузионе реакторе, када дођу, на паметан начин."

Унтерберг је рекао да је ОРНЛ-ова јединствена група за стабилне изотопе, која је развила и тестирала обогаћени изотопски премаз пре него што га стави у форму корисном за експеримент, омогућила истраживање. Тај изотоп не би био доступан нигде осим у Националном центру за развој изотопа на ОРНЛ-у, који одржава залихе готово сваког елемента који је изотопски одвојен, рекао је он.

„ОРНЛ има јединствену стручност и посебне жеље за овом врстом истраживања“, рекао је Унтерберг. „Имамо дуго наслеђе развоја изотопа и њиховог коришћења у свим врстама истраживања у различитим применама широм света.

Поред тога, ОРНЛ управља америчким ИТЕР-ом.

Затим ће тим погледати како стављање волфрама у диверторе различитог облика може утицати на контаминацију језгра. Различите геометрије дивертора би могле да минимизирају ефекте интеракције плазме и материјала на плазму језгра, теоретизирају. Познавање најбољег облика за дивертор - неопходну компоненту за магнетно ограничен плазма уређај - ставило би научнике корак ближе одрживом плазма реактору.

„Ако ми, као друштво, кажемо да желимо да се нуклеарна енергија деси, и желимо да пређемо на следећу фазу“, рекао је Унтерберг, „фузија би била свети грал“.