Insidan av framtida kärnfusionsenergireaktorer kommer att vara bland de tuffaste miljöer som någonsin producerats på jorden. Vad är tillräckligt starkt för att skydda insidan av en fusionsreaktor från plasmaproducerade värmeflöden som liknar rymdfärjor som återvänder till jordens atmosfär?

ORNL-forskare använde naturlig volfram (gul) och berikad volfram (orange) för att spåra erosion, transport och återavsättning av volfram. Volfram är det ledande alternativet för att pansra insidan av en fusionsenhet.

Zeke Unterberg och hans team vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory arbetar för närvarande med den ledande kandidaten: volfram, som har den högsta smältpunkten och lägsta ångtrycket av alla metaller i det periodiska systemet, samt mycket hög draghållfasthet— egenskaper som gör den väl lämpad att ta övergrepp under långa perioder. De är fokuserade på att förstå hur volfram skulle fungera inuti en fusionsreaktor, en enhet som värmer lätta atomer till temperaturer som är varmare än solens kärna så att de smälter samman och frigör energi. Vätgas i en fusionsreaktor omvandlas till väteplasma - ett tillstånd av materia som består av delvis joniserad gas - som sedan begränsas i ett litet område av starka magnetfält eller lasrar.

"Du vill inte sätta något i din reaktor som bara varar ett par dagar", säger Unterberg, senior forskare vid ORNL:s Fusion Energy Division. "Du vill ha tillräckligt med livstid. Vi lägger volfram i områden där vi förväntar oss att det kommer att bli mycket högt plasmabombardement."

Under 2016 började Unterberg och teamet utföra experiment i tokamak, en fusionsreaktor som använder magnetfält för att innehålla en ring av plasma, vid DIII-D National Fusion Facility, en DOE Office of Science-användaranläggning i San Diego. De ville veta om volfram kunde användas för att pansra tokamakens vakuumkammare – skydda den från snabb förstörelse orsakad av plasmaeffekterna – utan att kraftigt förorena själva plasman. Denna kontaminering, om den inte hanteras tillräckligt, kan i slutändan släcka fusionsreaktionen.

"Vi försökte avgöra vilka områden i kammaren som skulle vara särskilt dåliga: där volframet var mest sannolikt att generera föroreningar som kan förorena plasman," sa Unterberg.

För att hitta det använde forskarna en berikad isotop av volfram, W-182, tillsammans med den omodifierade isotopen, för att spåra erosionen, transporten och återavsättningen av volfram inifrån avledaren. Att titta på rörelsen av volfram inom avledaren - ett område i vakuumkammaren utformat för att avleda plasma och föroreningar - gav dem en tydligare bild av hur det eroderar från ytor i tokamak och interagerar med plasmat. Den berikade volframisotopen har samma fysikaliska och kemiska egenskaper som vanlig volfram. Experimenten vid DIII-D använde små metallinsatser belagda med den berikade isotopen placerade nära, men inte vid, den högsta värmeflödeszonen, ett område i kärlet som typiskt kallas divertor-fjärrmålområdet. Separat, i en avledarregion med de högsta flödena, strejkpunkten, använde forskare insatser med den omodifierade isotopen. Resten av DIII-D-kammaren är bepansrad med grafit.

Denna inställning gjorde det möjligt för forskarna att samla in prover på speciella sonder som tillfälligt satts in i kammaren för att mäta föroreningsflödet till och från fartygets pansar, vilket kunde ge dem en mer exakt uppfattning om var volframet som hade läckt bort från avledaren in i kammaren hade har sitt ursprung.

"Att använda den berikade isotopen gav oss ett unikt fingeravtryck," sa Unterberg.

Det var det första experimentet som utfördes i en fusionsanordning. Ett mål var att bestämma de bästa materialen och platsen för dessa material för kammararmering, samtidigt som föroreningar som orsakats av plasma-materialinteraktioner till stor del innehölls av avledaren och inte kontaminera den magnetbegränsade kärnplasma som används för att producera fusion.

En komplikation med konstruktionen och driften av avledare är förorening av föroreningar i plasman orsakad av kantlokaliserade moder, eller ELM. Vissa av dessa snabba, högenergihändelser, som liknar solflammor, kan skada eller förstöra fartygskomponenter som avledningsplattor. Frekvensen av ELM, de gånger per sekund dessa händelser inträffar, är en indikator på mängden energi som frigörs från plasman till väggen. Högfrekventa ELM kan frigöra låga mängder plasma per utbrott, men om ELM är mindre frekventa är plasman och energin som frigörs per utbrott hög, med större sannolikhet för skada. Ny forskning har tittat på sätt att kontrollera och öka frekvensen av ELM, till exempel med pelletsinjektion eller ytterligare magnetfält vid mycket små magnituder.

Unterbergs team fann, som de förväntade sig, att att ha volframet långt från högflödesstötpunkten avsevärt ökade sannolikheten för kontaminering när de exponerades för lågfrekventa ELM:er som har högre energiinnehåll och ytkontakt per händelse. Dessutom fann teamet att denna avledar-fjärrmålsregion var mer benägen att kontaminera SOL även om den generellt har lägre flöden än strejkpunkten. Dessa till synes kontraintuitiva resultat bekräftas av pågående avledningsmodelleringsansträngningar i relation till detta projekt och framtida experiment på DIII-D.

Detta projekt involverade ett team av experter från hela Nordamerika, inklusive medarbetare från Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, University of California i San Diego, University of Toronto, University of Tennessee-Knoxville och University of Wisconsin-Madison, eftersom det var ett viktigt verktyg för forskning om plasma-materialinteraktion. DOE:s Office of Science (Fusion Energy Sciences) gav stöd till studien.

Teamet publicerade forskning online tidigare i år i tidskriftenNukleär fusion.

Forskningen kan omedelbart gynna Joint European Torus, eller JET, och ITER, som nu är under uppbyggnad i Cadarache, Frankrike, som båda använder volframrustning för avledaren.

"Men vi tittar på saker bortom ITER och JET - vi tittar på framtidens fusionsreaktorer," sa Unterberg. "Var är det bäst att lägga volfram, och var ska man inte lägga volfram? Vårt yttersta mål är att pansra våra fusionsreaktorer, när de kommer, på ett smart sätt.”

Unterberg sa att ORNL:s unika stabila isotopergrupp, som utvecklade och testade den berikade isotopbeläggningen innan den sattes i en form användbar för experimentet, gjorde forskningen möjlig. Den isotopen skulle inte ha varit tillgänglig någon annanstans än från National Isotope Development Center på ORNL, som upprätthåller ett lager av nästan alla element isotopiskt separerade, sa han.

"ORNL har unik expertis och särskilda önskemål för den här typen av forskning," sa Unterberg. "Vi har ett långt arv av att utveckla isotoper och använda dem i all slags forskning i olika applikationer runt om i världen."

Dessutom förvaltar ORNL US ITER.

Därefter kommer teamet att titta på hur insättning av volfram i olika formade avledare kan påverka förorening av kärnan. Olika avledargeometrier kan minimera effekterna av plasma-materialinteraktioner på kärnplasman, har de teoretiserat. Att känna till den bästa formen för en divertor - en nödvändig komponent för en magnetiskt begränsad plasmaanordning - skulle sätta forskare ett steg närmare en livskraftig plasmareaktor.

"Om vi ​​som samhälle säger att vi vill att kärnenergi ska hända och vi vill gå vidare till nästa steg," sa Unterberg, "så skulle fusion vara den heliga gralen."