Ndani ya vinu vya nishati ya muunganisho wa nyuklia vitakuwa kati ya mazingira magumu zaidi kuwahi kuzalishwa duniani. Ni nini chenye nguvu ya kutosha kulinda ndani ya kinu cha muunganisho kutokana na mmiminiko wa joto unaozalishwa na plasma sawa na vyombo vya angani vinavyoingia tena kwenye angahewa ya Dunia?

Watafiti wa ORNL walitumia tungsten asili (njano) na tungsten iliyorutubishwa (machungwa) kufuatilia mmomonyoko, usafirishaji na uwekaji upya wa tungsten. Tungsten ndio chaguo kuu la kuweka silaha ndani ya kifaa cha muunganisho.

Zeke Unterberg na timu yake katika Maabara ya Kitaifa ya Idara ya Nishati ya Oak Ridge kwa sasa wanafanya kazi na mgombeaji mkuu: tungsten, ambayo ina kiwango cha juu zaidi cha kuyeyuka na shinikizo la chini la mvuke wa metali zote kwenye jedwali la mara kwa mara, na vile vile nguvu ya juu sana ya mkazo— mali ambayo inafanya kuwa inafaa kuchukua unyanyasaji kwa muda mrefu. Zinalenga kuelewa jinsi tungsten ingefanya kazi ndani ya kinu cha muunganisho, kifaa ambacho hupasha atomi nyepesi hadi joto kali zaidi kuliko kiini cha jua ili ziunganishe na kutoa nishati. Gesi ya hidrojeni katika kinusi cha muunganisho hubadilishwa kuwa plazima ya hidrojeni—hali ya mata ambayo inajumuisha gesi iliyoainishwa kwa kiasi—ambayo huzuiliwa katika eneo dogo na uga wenye nguvu wa sumaku au leza.

"Hutaki kuweka kitu kwenye kinu chako ambacho huchukua siku chache tu," alisema Unterberg, mwanasayansi mkuu wa utafiti katika Kitengo cha Nishati cha Fusion cha ORNL. "Unataka kuwa na maisha ya kutosha. Tunaweka tungsten katika maeneo ambayo tunatarajia kutakuwa na milipuko ya juu sana ya plasma.

Mnamo mwaka wa 2016, Unterberg na timu walianza kufanya majaribio katika tokamak, kinu cha muunganisho ambacho kinatumia sehemu za sumaku ili kuwa na pete ya plasma, katika Kituo cha Kitaifa cha DIII-D cha Fusion, kituo cha watumiaji wa Ofisi ya DOE ya Sayansi huko San Diego. Walitaka kujua ikiwa tungsten ingeweza kutumiwa kuvizia chumba cha utupu cha tokamak—kukilinda dhidi ya uharibifu wa haraka unaosababishwa na plasma—bila kuchafua sana plazima yenyewe. Uchafuzi huu, usipodhibitiwa vya kutosha, unaweza hatimaye kuzima majibu ya muunganisho.

"Tulikuwa tunajaribu kuamua ni maeneo gani katika chumba yangekuwa mabaya sana: ambapo tungsten ilikuwa na uwezekano mkubwa wa kuzalisha uchafu unaoweza kuchafua plasma," Unterberg alisema.

Ili kupata hiyo, watafiti walitumia isotopu iliyoboreshwa ya tungsten, W-182, pamoja na isotopu isiyobadilishwa, kufuatilia mmomonyoko, usafirishaji na uwekaji upya wa tungsten kutoka ndani ya kigeuza. Kuangalia msogeo wa tungsten ndani ya kigeuza-eneo ndani ya chemba ya utupu iliyoundwa kugeuza plasma na uchafu - uliwapa picha wazi ya jinsi inavyomomonyoka kutoka kwenye nyuso ndani ya tokamak na kuingiliana na plasma. Isotopu ya tungsten iliyoboreshwa ina mali sawa ya kimwili na kemikali kama tungsten ya kawaida. Majaribio ya DIII-D yalitumia vichocheo vidogo vya chuma vilivyofunikwa na isotopu iliyoboreshwa iliyowekwa karibu na, lakini sio, eneo la juu zaidi la mtiririko wa joto, eneo katika chombo kwa kawaida huitwa eneo la kigeuza mbali. Kando, katika eneo la kigeuza chenye mtiririko wa juu zaidi, mahali pa kugoma, watafiti walitumia viingilio vilivyo na isotopu isiyorekebishwa. Sehemu iliyobaki ya chumba cha DIII-D imewekwa kivita na grafiti.

Usanidi huu uliwaruhusu watafiti kukusanya sampuli za uchunguzi maalum ulioingizwa kwa muda kwenye chumba kwa ajili ya kupima mtiririko wa uchafu kutoka na kutoka kwa silaha ya chombo, ambayo inaweza kuwapa wazo sahihi zaidi la mahali ambapo tungsten ambayo ilikuwa imevuja kutoka kwa divertor ndani ya chumba ilikuwa. asili.

"Kutumia isotopu iliyoboreshwa ilitupa alama ya kipekee ya vidole," Unterberg alisema.

Ilikuwa jaribio la kwanza kama hilo kufanywa katika kifaa cha fusion. Lengo moja lilikuwa kubainisha nyenzo bora zaidi na mahali pa nyenzo hizi za kuhifadhia chemba, huku tukiweka uchafu unaosababishwa na mwingiliano wa plasma-nyenzo zilizomo kwa kigeuzi na sio kuchafua plasma ya msingi iliyofungiwa na sumaku inayotumiwa kutoa muunganisho.

Shida moja katika muundo na uendeshaji wa vichemshi ni uchafuzi wa plazima unaosababishwa na njia za ujanibishaji wa makali, au ELM. Baadhi ya matukio haya ya haraka na yenye nishati nyingi, sawa na miale ya miale ya jua, yanaweza kuharibu au kuharibu vipengee vya chombo kama vile sahani za kubadilisha mwelekeo. Mzunguko wa ELM, mara kwa sekunde matukio haya hutokea, ni kiashiria cha kiasi cha nishati iliyotolewa kutoka kwa plasma hadi ukuta. ELM za masafa ya juu zinaweza kutoa kiwango cha chini cha plasma kwa kila mlipuko, lakini ikiwa ELM hazipatikani mara kwa mara, plasma na nishati inayotolewa kwa kila mlipuko ni kubwa, na kuna uwezekano mkubwa wa uharibifu. Utafiti wa hivi majuzi umeangalia njia za kudhibiti na kuongeza mzunguko wa ELM, kama vile sindano ya pellet au sehemu za ziada za sumaku kwa ukubwa mdogo sana.

Timu ya Unterberg iligundua, kama walivyotarajia, kwamba kuwa na tungsten mbali na eneo la mgomo wa juu kuliongeza sana uwezekano wa uchafuzi unapokabiliwa na ELM za masafa ya chini ambazo zina maudhui ya juu ya nishati na mguso wa uso kwa kila tukio. Zaidi ya hayo, timu iligundua kuwa eneo hili linalolengwa zaidi la kipotoshi lilikuwa na uwezekano mkubwa wa kuchafua SOL ingawa kwa ujumla lina mabadiliko ya chini kuliko eneo la mgomo. Matokeo haya yanayoonekana kupingana yanathibitishwa na juhudi zinazoendelea za uigaji wa kigeuza kuhusiana na mradi huu na majaribio yajayo kwenye DIII-D.

Mradi huu ulihusisha timu ya wataalam kutoka kote Amerika Kaskazini, wakiwemo washiriki kutoka Maabara ya Fizikia ya Princeton Plasma, Maabara ya Kitaifa ya Lawrence Livermore, Maabara ya Kitaifa ya Sandia, ORNL, General Atomics, Chuo Kikuu cha Auburn, Chuo Kikuu cha California huko San Diego, Chuo Kikuu cha Toronto, Chuo Kikuu cha Tennessee—Knoxville, na Chuo Kikuu cha Wisconsin-Madison, kwani kilitoa zana muhimu ya utafiti wa mwingiliano wa plasma-nyenzo. Ofisi ya Sayansi ya DOE (Fusion Energy Sciences) ilitoa msaada kwa ajili ya utafiti huo.

Timu hiyo ilichapisha utafiti mtandaoni mapema mwaka huu kwenye jarida hiloFusion ya Nyuklia.

Utafiti huo unaweza kufaidika mara moja Joint European Torus, au JET, na ITER, ambayo sasa inajengwa huko Cadarache, Ufaransa, ambayo yote yanatumia silaha za tungsten kwa kigeuzi.

"Lakini tunaangalia mambo zaidi ya ITER na JET-tunaangalia vinu vya muunganisho vya siku zijazo," Unterberg alisema. "Ni wapi ni bora kuweka tungsten, na ni wapi usiweke tungsten? Lengo letu kuu ni kuvizia vinu vya muunganisho, vinapokuja, kwa njia nzuri.

Unterberg alisema Kikundi cha kipekee cha Isotopu Imara cha ORNL, ambacho kilitengeneza na kujaribu mipako ya isotopu iliyoboreshwa kabla ya kuiweka katika fomu ya manufaa kwa jaribio, ilifanya utafiti uwezekane. Isotopu hiyo isingepatikana popote lakini kutoka kwa Kituo cha Kitaifa cha Maendeleo ya Isotopu huko ORNL, ambacho kinahifadhi hifadhi ya karibu kila kitu kilichotenganishwa kiisotopiki, alisema.

"ORNL ina utaalamu wa kipekee na matamanio fulani ya aina hii ya utafiti," Unterberg alisema. "Tuna urithi mrefu wa kutengeneza isotopu na kutumia zile zilizo katika aina zote za utafiti katika matumizi tofauti ulimwenguni."

Kwa kuongeza, ORNL inasimamia US ITER.

Ifuatayo, timu itaangalia jinsi kuweka tungsten kwenye vigeuza vyenye umbo tofauti kunaweza kuathiri uchafuzi wa msingi. Jiometri tofauti za kigeuza zinaweza kupunguza athari za mwingiliano wa plasma-nyenzo kwenye plasma ya msingi, wametoa nadharia. Kujua umbo bora zaidi kwa kigeuzi—sehemu inayohitajika kwa kifaa cha plasma iliyozuiliwa na sumaku—kungeweka wanasayansi hatua moja karibu na kinu cha plasma kinachoweza kutumika.

"Ikiwa sisi, kama jamii, tunasema tunataka nishati ya nyuklia itokee, na tunataka kusonga hadi hatua inayofuata," Unterberg alisema, "muungano utakuwa njia takatifu."