Bagian jero réaktor énergi fusi nuklir ka hareup bakal janten lingkungan anu paling parah anu kantos diproduksi di Bumi. Naon anu cukup kuat pikeun nangtayungan bagian jero reaktor fusi tina fluks panas anu dihasilkeun plasma mirip sareng pesawat ulang-alik anu asup deui ka atmosfir Bumi?

peneliti ORNL dipaké tungsten alam (konéng) jeung enriched tungsten (jeruk) pikeun ngabasmi erosi, angkutan jeung redeposition of tungsten. Tungsten mangrupakeun pilihan ngarah kana armor jero alat fusi.

Zeke Unterberg sareng timnya di Laboratorium Nasional Oak Ridge Departemen Énergi ayeuna damel sareng calon utama: tungsten, anu ngagaduhan titik lebur pangluhurna sareng tekanan uap panghandapna tina sadaya logam dina tabel périodik, ogé kakuatan tegangan anu luhur pisan— sipat nu ngajadikeun eta well-cocog pikeun nyokot nyiksa pikeun période lila. Aranjeunna museurkeun kana pamahaman kumaha tungsten bakal dianggo di jero reaktor fusi, alat anu ngamanaskeun atom cahaya ka suhu anu langkung panas tibatan inti panonpoé supados ngahiji sareng ngaleupaskeun énergi. Gas hidrogén dina réaktor fusi dirobah jadi hidrogén plasma-kaayaan zat nu diwangun ku sawaréh gas terionisasi-anu lajeng dipasrahkeun di wewengkon leutik ku médan magnét kuat atawa lasers.

"Anjeun teu hoyong nempatkeun hiji hal dina réaktor anjeun anu ngan ukur sababaraha dinten," saur Unterberg, élmuwan panaliti senior di Divisi Energi Fusion ORNL. "Anjeun hoyong gaduh umur anu cekap. Kami nempatkeun tungsten di daérah anu kami antisipasi bakal aya bombardment plasma anu luhur pisan.

Dina 2016, Unterberg sareng tim mimiti ngalaksanakeun ékspérimén dina tokamak, réaktor fusi anu ngagunakeun médan magnét pikeun ngandung cincin plasma, di Fasilitas Fusion Nasional DIII-D, fasilitas pangguna DOE Office of Science di San Diego. Aranjeunna hoyong terang naha tungsten tiasa dianggo pikeun ngahias ruangan vakum tokamak — ngajagi tina karusakan gancang anu disababkeun ku épék plasma-tanpa ngotorkeun plasma sorangan. Kontaminasi ieu, upami henteu cekap diurus, pamustunganana tiasa mareuman réaksi fusi.

"Kami narékahan pikeun nangtoskeun daérah mana dina kamar anu bakal parah pisan: dimana tungsten paling dipikaresep ngahasilkeun najis anu tiasa ngotorkeun plasma," saur Unterberg.

Pikeun manggihan éta, panalungtik ngagunakeun isotop enriched of tungsten, W-182, babarengan jeung isotop unmodified, pikeun ngalacak erosi, angkutan jeung redeposition of tungsten ti jero divertor nu. Ningali gerakan tungsten dina divertor-hiji wewengkon dina chamber vakum dirancang pikeun mindahkeun plasma jeung najis-masihan aranjeunna gambaran jelas kumaha eta erodes tina surfaces dina tokamak jeung interaksi jeung plasma. Isotop tungsten anu diperkaya gaduh sipat fisik sareng kimia anu sami sareng tungsten biasa. Percobaan di DIII-D ngagunakeun sisipan logam leutik anu dilapis ku isotop anu diperkaya anu ditempatkeun di deukeut, tapi henteu di, zona fluks panas anu pangluhurna, daérah dina wadah anu biasana disebut daérah target jauh divertor. Kapisah, di wewengkon divertor kalawan fluxes pangluhurna, titik mogok, peneliti ngagunakeun inserts jeung isotop unmodified. Sésana kamar DIII-D dilapis ku grafit.

Setelan ieu ngamungkinkeun para panalungtik pikeun ngumpulkeun sampel dina panyilidikan husus samentara diselapkeun dina chamber pikeun ngukur aliran impurity ka jeung ti armor kapal, nu bisa mere eta gagasan leuwih tepat dimana tungsten nu geus bocor jauh ti divertor kana chamber kungsi. asalna.

"Nganggo isotop anu diperkaya masihan kami sidik ramo anu unik," saur Unterberg.

Ieu mangrupikeun percobaan sapertos anu munggaran dilakukeun dina alat fusi. Hiji tujuan éta pikeun nangtukeun bahan pangalusna sarta lokasi pikeun bahan ieu pikeun armoring chamber, bari tetep najis disababkeun ku interaksi plasma-bahan sakitu legana dikandung dina divertor tur teu contaminating plasma inti magnet-dikurung dipaké pikeun ngahasilkeun fusi.

Salah sahiji komplikasi dina rarancang sareng operasi divertor nyaéta kontaminasi najis dina plasma disababkeun ku modeu lokal-ujung, atanapi ELM. Sababaraha acara gancang, énergi tinggi ieu, sarupa jeung flare surya, bisa ngaruksak atawa ngancurkeun komponén kapal kayaning pelat divertor. Frékuénsi ELM, waktos per detik kajadian ieu lumangsung, mangrupikeun indikator jumlah énergi anu dileupaskeun tina plasma kana témbok. ELMs frékuénsi luhur bisa ngaleupaskeun jumlah low plasma per letusan, tapi lamun ELMs kirang sering, plasma jeung énergi dileupaskeun per letusan luhur, jeung kamungkinan leuwih gede pikeun karuksakan. Panaliti anyar parantos ningali cara pikeun ngontrol sareng ningkatkeun frékuénsi ELM, sapertos suntikan pellet atanapi médan magnét tambahan dina ukuran anu alit.

Tim Unterberg mendakan, sakumaha anu dipiharep, yén gaduh tungsten jauh tina titik mogok fluks anu luhur pisan ningkatkeun kamungkinan kontaminasi nalika kakeunaan ELM frekuensi rendah anu gaduh eusi énergi anu langkung luhur sareng kontak permukaan per kajadian. Salaku tambahan, tim mendakan yén daérah target jauh divertor ieu langkung rawan kontaminasi SOL sanaos umumna gaduh fluks anu langkung handap tibatan titik mogok. Hasil anu katingalina teu intuisi ieu dikonfirmasi ku usaha modeling divertor anu aya hubunganana sareng proyék ieu sareng percobaan ka hareup dina DIII-D.

Proyék ieu ngalibatkeun tim ahli ti sakuliah Amérika Kalér, kaasup kolaborator ti Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, the University of California at San Diego, the University of Toronto, Universitas Tennesse-Knoxville, sarta Universitas Wisconsin-Madison, sabab nyadiakeun alat signifikan pikeun panalungtikan interaksi plasma-bahan. Kantor Élmu DOE (Fusion Energy Sciences) nyayogikeun pangrojong pikeun pangajaran.

Tim éta nyebarkeun panalungtikan online awal taun ieu dina jurnalFusion Nuklir.

Panalitian tiasa langsung nguntungkeun Joint European Torus, atanapi JET, sareng ITER, ayeuna nuju didamel di Cadarache, Perancis, anu duanana nganggo tungsten armor pikeun divertor.

"Tapi urang nuju ningal hal-hal saluareun ITER sareng JET-urang nuju ningali réaktor fusi masa depan," saur Unterberg. "Dimana langkung saé nempatkeun tungsten, sareng dimana anjeun henteu kedah nempatkeun tungsten? Tujuan pamungkas kami nyaéta pikeun ngagemkeun réaktor fusi kami, nalika sumping, ku cara anu pinter.

Unterberg nyatakeun Grup Isotop Stabil unik ORNL, anu ngembangkeun sareng nguji lapisan isotop anu diperkaya sateuacan nempatkeun éta dina bentuk anu mangpaat pikeun ékspérimén, ngajantenkeun panilitian. Isotop éta moal sayogi dimana waé tapi ti Pusat Pengembangan Isotop Nasional di ORNL, anu ngajaga stockpile ampir unggal unsur anu dipisahkeun sacara isotop, saurna.

"ORNL boga kaahlian unik sarta kahayang husus pikeun jenis ieu panalungtikan," ceuk Unterberg. "Kami ngagaduhan warisan anu panjang pikeun ngembangkeun isotop sareng ngagunakeun éta dina sagala jinis panalungtikan dina aplikasi anu béda-béda di sakumna dunya."

Sajaba ti éta, ORNL ngatur AS ITER.

Salajengna, tim bakal ningali kumaha nempatkeun tungsten kana divertor anu béda-béda tiasa mangaruhan kontaminasi inti. géométri divertor béda bisa ngaleutikan épék interaksi plasma-bahan dina plasma inti, aranjeunna geus téori. Nyaho bentuk anu pangsaéna pikeun divertor-komponén anu dipikabutuh pikeun alat plasma anu dipasrahkeun magnét-bakal nempatkeun élmuwan salengkah ngadeukeutan ka réaktor plasma anu séhat.

"Upami urang, salaku masarakat, nyarios yén urang hoyong énergi nuklir kajantenan, sareng urang badé ngalih ka tahap salajengna," saur Unterberg, "fusi bakal janten grail suci."