భవిష్యత్ న్యూక్లియర్ ఫ్యూజన్ ఎనర్జీ రియాక్టర్ల లోపలి భాగం భూమిపై ఇప్పటివరకు ఉత్పత్తి చేయబడిన అత్యంత కఠినమైన వాతావరణాలలో ఒకటి. ఫ్యూజన్ రియాక్టర్ లోపలి భాగాన్ని ప్లాస్మా-ఉత్పత్తి చేసే హీట్ ఫ్లక్స్‌ల నుండి భూమి యొక్క వాతావరణంలోకి తిరిగి ప్రవేశించే స్పేస్ షటిల్‌ల నుండి రక్షించేంత బలంగా ఏది ఉంది?

ORNL పరిశోధకులు సహజ టంగ్‌స్టన్ (పసుపు) మరియు సుసంపన్నమైన టంగ్‌స్టన్ (నారింజ)ను ఉపయోగించారు, టంగ్‌స్టన్ యొక్క కోత, రవాణా మరియు పునఃస్థితిని గుర్తించడానికి. ఫ్యూజన్ పరికరం లోపలి భాగాన్ని కవచం చేయడానికి టంగ్‌స్టన్ ప్రముఖ ఎంపిక.

డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ ఎనర్జీ యొక్క ఓక్ రిడ్జ్ నేషనల్ లాబొరేటరీలో Zeke Unterberg మరియు అతని బృందం ప్రస్తుతం ప్రముఖ అభ్యర్థితో కలిసి పని చేస్తున్నారు: టంగ్‌స్టన్, ఇది ఆవర్తన పట్టికలోని అన్ని లోహాలలో అత్యధిక ద్రవీభవన స్థానం మరియు అత్యల్ప ఆవిరి పీడనం, అలాగే చాలా ఎక్కువ తన్యత బలం- దీర్ఘకాలం పాటు దుర్వినియోగం చేయడానికి బాగా సరిపోయే లక్షణాలు. ఫ్యూజన్ రియాక్టర్ లోపల టంగ్‌స్టన్ ఎలా పనిచేస్తుందో అర్థం చేసుకోవడంపై వారు దృష్టి సారించారు, ఇది కాంతి అణువులను సూర్యుని కోర్ కంటే వేడిగా ఉండే ఉష్ణోగ్రతలకు వేడి చేస్తుంది, తద్వారా అవి శక్తిని ఫ్యూజ్ చేసి విడుదల చేస్తాయి. ఫ్యూజన్ రియాక్టర్‌లోని హైడ్రోజన్ వాయువు హైడ్రోజన్ ప్లాస్మాగా మార్చబడుతుంది - ఇది పాక్షికంగా అయనీకరణం చేయబడిన వాయువుతో కూడిన పదార్థం యొక్క స్థితి-అది బలమైన అయస్కాంత క్షేత్రాలు లేదా లేజర్‌ల ద్వారా ఒక చిన్న ప్రాంతంలో పరిమితం చేయబడుతుంది.

ORNL యొక్క ఫ్యూజన్ ఎనర్జీ డివిజన్‌లోని సీనియర్ రీసెర్చ్ సైంటిస్ట్ అన్‌టర్‌బెర్గ్ మాట్లాడుతూ, "మీ రియాక్టర్‌లో కేవలం రెండు రోజులు మాత్రమే ఉండే వాటిని ఉంచడం మీకు ఇష్టం లేదు. “మీకు తగిన జీవితకాలం కావాలి. మేము చాలా ఎక్కువ ప్లాస్మా బాంబు పేలుడు ఉంటుందని మేము ఊహించిన ప్రాంతాల్లో టంగ్‌స్టన్‌ను ఉంచాము.

2016లో, అన్‌టర్‌బర్గ్ మరియు బృందం శాన్ డియాగోలోని DOE ఆఫీస్ ఆఫ్ సైన్స్ యూజర్ ఫెసిలిటీ అయిన DIII-D నేషనల్ ఫ్యూజన్ ఫెసిలిటీలో ప్లాస్మా యొక్క రింగ్‌ను కలిగి ఉండటానికి అయస్కాంత క్షేత్రాలను ఉపయోగించే ఫ్యూజన్ రియాక్టర్ అయిన టోకామాక్‌లో ప్రయోగాలు చేయడం ప్రారంభించింది. టోకామాక్ యొక్క వాక్యూమ్ చాంబర్‌ను కవచం చేయడానికి టంగ్‌స్టన్‌ను ఉపయోగించవచ్చా అని వారు తెలుసుకోవాలనుకున్నారు-ప్లాస్మా ప్రభావాల వల్ల కలిగే వేగవంతమైన విధ్వంసం నుండి దానిని రక్షించడం-ప్లాస్మానే ఎక్కువగా కలుషితం చేయకుండా. ఈ కాలుష్యం, తగినంతగా నిర్వహించబడకపోతే, చివరికి ఫ్యూజన్ ప్రతిచర్యను చల్లార్చవచ్చు.

"చాంబర్‌లోని ఏ ప్రాంతాలు ముఖ్యంగా చెడ్డవిగా ఉంటాయో గుర్తించడానికి మేము ప్రయత్నిస్తున్నాము: ప్లాస్మాను కలుషితం చేసే మలినాలను టంగ్‌స్టన్ ఉత్పత్తి చేసే అవకాశం ఉంది" అని అన్‌టర్‌బర్గ్ చెప్పారు.

దానిని కనుగొనడానికి, డైవర్టర్ లోపల నుండి టంగ్‌స్టన్ యొక్క కోత, రవాణా మరియు పునఃనిక్షేపణను గుర్తించడానికి పరిశోధకులు టంగ్‌స్టన్ యొక్క సుసంపన్నమైన ఐసోటోప్, W-182, మార్పులేని ఐసోటోప్‌తో పాటు ఉపయోగించారు. ప్లాస్మా మరియు మలినాలను మళ్లించడానికి రూపొందించబడిన వాక్యూమ్ చాంబర్‌లోని డైవర్టర్‌లోని టంగ్‌స్టన్ యొక్క కదలికను చూస్తే, ఇది టోకామాక్‌లోని ఉపరితలాల నుండి ఎలా క్షీణిస్తుంది మరియు ప్లాస్మాతో సంకర్షణ చెందుతుందనే దాని గురించి వారికి స్పష్టమైన చిత్రాన్ని అందించింది. సుసంపన్నమైన టంగ్స్టన్ ఐసోటోప్ సాధారణ టంగ్స్టన్ వలె అదే భౌతిక మరియు రసాయన లక్షణాలను కలిగి ఉంటుంది. DIII-D వద్ద చేసిన ప్రయోగాలు, నౌకలోని ప్రాంతాన్ని సాధారణంగా డైవర్టర్ ఫార్-టార్గెట్ రీజియన్ అని పిలిచే అత్యధిక హీట్ ఫ్లక్స్ జోన్‌కు దగ్గరగా ఉంచిన సుసంపన్నమైన ఐసోటోప్‌తో పూసిన చిన్న మెటల్ ఇన్సర్ట్‌లను ఉపయోగించారు. విడిగా, అత్యధిక ఫ్లక్స్‌లతో డైవర్టర్ ప్రాంతంలో, స్ట్రైక్ పాయింట్, పరిశోధకులు మార్పులేని ఐసోటోప్‌తో ఇన్‌సర్ట్‌లను ఉపయోగించారు. DIII-D చాంబర్ యొక్క మిగిలిన భాగం గ్రాఫైట్‌తో కవచం చేయబడింది.

ఈ సెటప్ పరిశోధకులను ఓడ కవచానికి మరియు బయటికి వచ్చే అశుద్ధ ప్రవాహాన్ని కొలిచేందుకు చాంబర్‌లో తాత్కాలికంగా చొప్పించిన ప్రత్యేక ప్రోబ్‌లపై నమూనాలను సేకరించడానికి అనుమతించింది, ఇది డైవర్టర్ నుండి ఛాంబర్‌లోకి లీక్ అయిన టంగ్‌స్టన్ ఎక్కడ ఉందో మరింత ఖచ్చితమైన ఆలోచనను ఇస్తుంది. ఉద్భవించింది.

"సుసంపన్నమైన ఐసోటోప్‌ను ఉపయోగించడం మాకు ప్రత్యేకమైన వేలిముద్రను ఇచ్చింది" అని అన్‌టర్‌బర్గ్ చెప్పారు.

ఫ్యూజన్ పరికరంలో నిర్వహించిన మొదటి ప్రయోగం ఇది. ప్లాస్మా-మెటీరియల్ ఇంటరాక్షన్‌ల వల్ల కలిగే మలినాలను ఎక్కువగా డైవర్టర్‌లో ఉంచడం మరియు ఫ్యూజన్‌ను ఉత్పత్తి చేయడానికి ఉపయోగించే అయస్కాంత-పరిమిత కోర్ ప్లాస్మాను కలుషితం చేయకుండా ఉంచడంతోపాటు, ఛాంబర్ ఆర్మరింగ్ కోసం ఈ పదార్థాలకు ఉత్తమమైన పదార్థాలు మరియు స్థానాన్ని నిర్ణయించడం ఒక లక్ష్యం.

డైవర్టర్‌ల రూపకల్పన మరియు ఆపరేషన్‌లో ఒక సమస్య ఏమిటంటే, ఎడ్జ్-లోకలైజ్డ్ మోడ్‌లు లేదా ELMల వల్ల ప్లాస్మాలో అశుద్ధ కాలుష్యం. వీటిలో కొన్ని వేగవంతమైన, అధిక-శక్తి సంఘటనలు, సౌర మంటలను పోలి ఉంటాయి, డైవర్టర్ ప్లేట్ల వంటి నౌక భాగాలను దెబ్బతీస్తాయి లేదా నాశనం చేస్తాయి. ELMల ఫ్రీక్వెన్సీ, ఈ సంఘటనలు జరిగే సెకనుకు సమయాలు, ప్లాస్మా నుండి గోడకు విడుదలయ్యే శక్తి పరిమాణానికి సూచిక. హై-ఫ్రీక్వెన్సీ ELMలు ప్రతి విస్ఫోటనానికి తక్కువ మొత్తంలో ప్లాస్మాను విడుదల చేయగలవు, అయితే ELMలు తక్కువగా ఉంటే, ప్రతి విస్ఫోటనానికి విడుదలయ్యే ప్లాస్మా మరియు శక్తి ఎక్కువగా ఉంటుంది, నష్టానికి ఎక్కువ సంభావ్యత ఉంటుంది. ఇటీవలి పరిశోధన ELMల యొక్క ఫ్రీక్వెన్సీని నియంత్రించడానికి మరియు పెంచడానికి మార్గాలను పరిశీలించింది, ఉదాహరణకు పెల్లెట్ ఇంజెక్షన్ లేదా చాలా తక్కువ పరిమాణంలో అదనపు అయస్కాంత క్షేత్రాలు.

Unterberg బృందం వారు ఊహించినట్లుగా, అధిక-ఫ్లక్స్ స్ట్రైక్-పాయింట్‌కు దూరంగా టంగ్‌స్టన్ కలిగి ఉండటం వలన తక్కువ-ఫ్రీక్వెన్సీ ELM లకు గురైనప్పుడు కాలుష్యం యొక్క సంభావ్యతను బాగా పెంచింది, ఇవి ప్రతి ఈవెంట్‌కు అధిక శక్తి కంటెంట్ మరియు ఉపరితల సంబంధాన్ని కలిగి ఉంటాయి. అదనంగా, ఈ డైవర్టర్ ఫార్-టార్గెట్ ప్రాంతం సాధారణంగా స్ట్రైక్-పాయింట్ కంటే తక్కువ ఫ్లక్స్‌లను కలిగి ఉన్నప్పటికీ, SOL కలుషితమయ్యే అవకాశం ఎక్కువగా ఉందని బృందం కనుగొంది. ఈ ప్రాజెక్ట్‌కి సంబంధించి కొనసాగుతున్న డైవర్టర్ మోడలింగ్ ప్రయత్నాల ద్వారా మరియు DIII-Dపై భవిష్యత్తు ప్రయోగాల ద్వారా ఈ ప్రతికూల ఫలితాలు నిర్ధారించబడుతున్నాయి.

ఈ ప్రాజెక్ట్‌లో ప్రిన్స్‌టన్ ప్లాస్మా ఫిజిక్స్ లాబొరేటరీ, లారెన్స్ లివర్‌మోర్ నేషనల్ లాబొరేటరీ, శాండియా నేషనల్ లాబొరేటరీస్, ORNL, జనరల్ అటామిక్స్, ఆబర్న్ యూనివర్శిటీ, శాన్ డియాగోలోని కాలిఫోర్నియా విశ్వవిద్యాలయం, టొరంటో విశ్వవిద్యాలయం నుండి సహకారులతో సహా ఉత్తర అమెరికా అంతటా నిపుణుల బృందం పాల్గొంది. యూనివర్శిటీ ఆఫ్ టేనస్సీ-నాక్స్‌విల్లే, మరియు యూనివర్సిటీ ఆఫ్ విస్కాన్సిన్-మాడిసన్, ప్లాస్మా-మెటీరియల్ ఇంటరాక్షన్ పరిశోధన కోసం ఇది ఒక ముఖ్యమైన సాధనాన్ని అందించింది. DOE యొక్క ఆఫీస్ ఆఫ్ సైన్స్ (ఫ్యూజన్ ఎనర్జీ సైన్సెస్) అధ్యయనానికి మద్దతునిచ్చింది.

ఈ బృందం ఈ సంవత్సరం ప్రారంభంలో ఆన్‌లైన్‌లో పరిశోధనను పత్రికలో ప్రచురించిందిన్యూక్లియర్ ఫ్యూజన్.

పరిశోధన తక్షణమే జాయింట్ యూరోపియన్ టోరస్, లేదా JET, మరియు ITER, ఇప్పుడు ఫ్రాన్స్‌లోని కాడరాచేలో నిర్మాణంలో ఉంది, ఈ రెండూ డైవర్టర్ కోసం టంగ్‌స్టన్ కవచాన్ని ఉపయోగిస్తాయి.

"కానీ మేము ITER మరియు JETకి మించిన విషయాలను చూస్తున్నాము-మేము భవిష్యత్ ఫ్యూజన్ రియాక్టర్‌లను చూస్తున్నాము" అని అన్‌టర్‌బర్గ్ చెప్పారు. “టంగ్‌స్టన్‌ను ఎక్కడ ఉంచడం మంచిది మరియు మీరు టంగ్‌స్టన్‌ను ఎక్కడ ఉంచకూడదు? మా ఫ్యూజన్ రియాక్టర్‌లు వచ్చినప్పుడు వాటిని స్మార్ట్‌గా తీర్చిదిద్దడమే మా అంతిమ లక్ష్యం.

అన్‌టర్‌బర్గ్ ORNL యొక్క ప్రత్యేకమైన స్థిరమైన ఐసోటోప్‌ల సమూహం, ఇది ప్రయోగానికి ఉపయోగపడే రూపంలో ఉంచడానికి ముందు సుసంపన్నమైన ఐసోటోప్ పూతను అభివృద్ధి చేసి పరీక్షించింది, ఇది పరిశోధనను సాధ్యం చేసింది. ఆ ఐసోటోప్ ORNLలోని నేషనల్ ఐసోటోప్ డెవలప్‌మెంట్ సెంటర్ నుండి ఎక్కడా అందుబాటులో ఉండేది కాదు, ఇది ఐసోటోపికల్‌గా వేరు చేయబడిన దాదాపు ప్రతి మూలకం యొక్క నిల్వను నిర్వహిస్తుంది, అతను చెప్పాడు.

"ORNL ఈ రకమైన పరిశోధన కోసం ప్రత్యేకమైన నైపుణ్యం మరియు ప్రత్యేక కోరికలను కలిగి ఉంది" అని అన్టర్‌బర్గ్ చెప్పారు. "ఐసోటోప్‌లను అభివృద్ధి చేయడం మరియు ప్రపంచవ్యాప్తంగా వివిధ అప్లికేషన్‌లలో అన్ని రకాల పరిశోధనలలో వాటిని ఉపయోగించడం వంటి సుదీర్ఘ వారసత్వం మాకు ఉంది."

అదనంగా, ORNL US ITERని నిర్వహిస్తుంది.

తర్వాత, టీమ్ టంగ్‌స్టన్‌ను విభిన్న ఆకారపు డైవర్టర్‌లలో ఉంచడం కోర్ యొక్క కాలుష్యాన్ని ఎలా ప్రభావితం చేస్తుందో పరిశీలిస్తుంది. వేర్వేరు డైవర్టర్ జ్యామితులు కోర్ ప్లాస్మాపై ప్లాస్మా-మెటీరియల్ పరస్పర చర్యల ప్రభావాలను తగ్గించగలవు, అవి సిద్ధాంతీకరించబడ్డాయి. డైవర్టర్‌కు ఉత్తమమైన ఆకృతిని తెలుసుకోవడం-అయస్కాంత-పరిమిత ప్లాస్మా పరికరానికి అవసరమైన భాగం-శాస్త్రజ్ఞులను ఆచరణీయమైన ప్లాస్మా రియాక్టర్‌కు ఒక అడుగు దగ్గరగా ఉంచుతుంది.

"మనం, ఒక సమాజంగా, అణుశక్తి జరగాలని మేము కోరుకుంటున్నాము మరియు మేము తదుపరి దశకు వెళ్లాలనుకుంటున్నాము," అని అన్టర్‌బెర్గ్ అన్నాడు, "కలయిక హోలీ గ్రెయిల్ అవుతుంది."