ภายในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันในอนาคตจะเป็นหนึ่งในสภาพแวดล้อมที่เลวร้ายที่สุดเท่าที่เคยมีมาบนโลก อะไรจะแข็งแกร่งพอที่จะปกป้องภายในเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันจากฟลักซ์ความร้อนที่เกิดจากพลาสมา ซึ่งคล้ายกับกระสวยอวกาศที่กลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลก

นักวิจัยของ ORNL ใช้ทังสเตนธรรมชาติ (สีเหลือง) และทังสเตนเสริมสมรรถนะ (สีส้ม) เพื่อติดตามการกัดเซาะ การขนส่ง และการวางตำแหน่งใหม่ของทังสเตน ทังสเตนเป็นตัวเลือกชั้นนำในการหุ้มเกราะด้านในของอุปกรณ์ฟิวชัน

Zeke Unterberg และทีมงานของเขาที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridge ของ Department of Energy กำลังทำงานร่วมกับผู้สมัครชั้นนำ นั่นคือ ทังสเตน ซึ่งมีจุดหลอมเหลวสูงสุดและความดันไอต่ำที่สุดของโลหะทั้งหมดในตารางธาตุ เช่นเดียวกับความต้านทานแรงดึงที่สูงมาก— คุณสมบัติที่ทำให้เหมาะที่จะใช้ในทางที่ผิดเป็นเวลานาน พวกเขามุ่งเน้นไปที่การทำความเข้าใจว่าทังสเตนจะทำงานภายในเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันได้อย่างไร ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ให้ความร้อนแก่อะตอมของแสงจนถึงอุณหภูมิที่ร้อนกว่าแกนกลางของดวงอาทิตย์ เพื่อที่พวกมันจะหลอมรวมและปล่อยพลังงาน ก๊าซไฮโดรเจนในเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันจะถูกแปลงเป็นไฮโดรเจนพลาสมา ซึ่งเป็นสถานะของสสารที่ประกอบด้วยก๊าซไอออไนซ์บางส่วน ซึ่งจากนั้นก็ถูกกักขังไว้ในพื้นที่เล็กๆ โดยสนามแม่เหล็กแรงสูงหรือเลเซอร์

“คุณคงไม่อยากใส่อะไรบางอย่างลงในเครื่องปฏิกรณ์ที่กินเวลาเพียงสองสามวัน” อันเทอร์เบิร์ก นักวิทยาศาสตร์การวิจัยอาวุโสในแผนกพลังงานฟิวชั่นของ ORNL กล่าว “คุณต้องการมีชีวิตที่เพียงพอ เราใส่ทังสเตนในพื้นที่ที่เราคาดว่าจะมีการทิ้งระเบิดด้วยพลาสมาสูงมาก”

ในปี พ.ศ. 2559 อุนเทอร์เบิร์กและทีมงานเริ่มทำการทดลองในโทคามัก ซึ่งเป็นเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันที่ใช้สนามแม่เหล็กเพื่อบรรจุวงแหวนพลาสมา ที่ศูนย์ฟิวชั่นแห่งชาติ DIII-D ซึ่งเป็นสำนักงานผู้ใช้วิทยาศาสตร์ของ DOE ในซานดิเอโก พวกเขาต้องการทราบว่าทังสเตนสามารถใช้หุ้มเกราะห้องสุญญากาศของ tokamak ได้หรือไม่ เพื่อป้องกันไม่ให้ถูกทำลายอย่างรวดเร็วที่เกิดจากผลกระทบของพลาสมา โดยไม่ทำให้เกิดการปนเปื้อนในพลาสมาอย่างรุนแรง การปนเปื้อนนี้หากไม่ได้รับการจัดการอย่างเพียงพอ ก็สามารถดับปฏิกิริยาฟิวชันได้ในที่สุด

“เรากำลังพยายามหาว่าบริเวณใดในห้องนั้นที่จะแย่เป็นพิเศษ โดยที่ทังสเตนมีแนวโน้มที่จะสร้างสิ่งเจือปนที่สามารถปนเปื้อนในพลาสมาได้มากที่สุด” Unterberg กล่าว

เพื่อค้นหาสิ่งนั้น นักวิจัยได้ใช้ไอโซโทปเสริมสมรรถนะของทังสเตน W-182 ร่วมกับไอโซโทปที่ไม่มีการดัดแปลง เพื่อติดตามการกัดเซาะ การขนย้าย และการวางตำแหน่งใหม่ของทังสเตนจากภายในตัวเปลี่ยนทิศทาง เมื่อดูการเคลื่อนที่ของทังสเตนภายในตัวเปลี่ยนทิศทาง ซึ่งเป็นพื้นที่ภายในห้องสุญญากาศที่ออกแบบมาเพื่อเปลี่ยนพลาสมาและสิ่งสกปรก ช่วยให้พวกเขาเห็นภาพได้ชัดเจนยิ่งขึ้นว่าทังสเตนกัดกร่อนจากพื้นผิวภายในโทคามักและมีปฏิกิริยากับพลาสมาอย่างไร ไอโซโทปทังสเตนที่ได้รับการเสริมสมรรถนะมีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีเช่นเดียวกับทังสเตนทั่วไป การทดลองที่ DIII-D ใช้ส่วนที่เป็นโลหะขนาดเล็กที่เคลือบด้วยไอโซโทปเสริมสมรรถนะที่วางอยู่ใกล้กับโซนฟลักซ์ความร้อนสูงสุด (แต่ไม่ได้อยู่ที่โซนฟลักซ์ความร้อนสูงสุด) พื้นที่ในถังที่มักเรียกว่าบริเวณเป้าหมายไกลของตัวเปลี่ยนทิศทาง นักวิจัยใช้ส่วนแทรกที่มีไอโซโทปที่ไม่มีการดัดแปลงที่บริเวณไดเวอร์เตอร์ที่มีฟลักซ์สูงสุด ส่วนที่เหลือของห้อง DIII-D หุ้มด้วยกราไฟท์

การตั้งค่านี้ช่วยให้นักวิจัยสามารถรวบรวมตัวอย่างบนหัววัดพิเศษที่เสียบไว้ชั่วคราวในห้องเพื่อวัดการไหลของสิ่งเจือปนเข้าและออกจากเกราะของเรือ ซึ่งอาจทำให้พวกเขาเข้าใจได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้นว่าทังสเตนที่รั่วไหลออกจากตัวเปลี่ยนทิศทางเข้าไปในห้องนั้นอยู่ที่ไหน มีต้นกำเนิด

“การใช้ไอโซโทปเสริมสมรรถนะทำให้เรามีลายนิ้วมือที่เป็นเอกลักษณ์” Unterberg กล่าว

นี่เป็นการทดลองครั้งแรกที่ดำเนินการในอุปกรณ์ฟิวชัน เป้าหมายหนึ่งคือการกำหนดวัสดุและตำแหน่งที่ดีที่สุดสำหรับวัสดุเหล่านี้สำหรับหุ้มเกราะในห้อง ขณะเดียวกันก็รักษาสิ่งเจือปนที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างพลาสมากับวัสดุซึ่งส่วนใหญ่บรรจุอยู่ในไดเวอร์เตอร์ และไม่ปนเปื้อนพลาสมาแกนที่ถูกจำกัดด้วยแม่เหล็กซึ่งใช้ในการผลิตฟิวชัน

ภาวะแทรกซ้อนประการหนึ่งกับการออกแบบและการทำงานของไดเวอร์เตอร์คือการปนเปื้อนของสิ่งเจือปนในพลาสมาที่เกิดจากโหมด Edge-localized หรือ ELM เหตุการณ์ที่เกิดพลังงานสูงและรวดเร็วบางอย่างคล้ายกับเปลวสุริยะ สามารถสร้างความเสียหายหรือทำลายส่วนประกอบของเรือ เช่น แผ่นเปลี่ยนเส้นทาง ความถี่ของ ELM หรือเวลาต่อวินาทีที่เหตุการณ์เหล่านี้เกิดขึ้น เป็นตัวบ่งชี้ปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาจากพลาสมาสู่ผนัง ELM ความถี่สูงสามารถปล่อยพลาสมาในปริมาณต่ำต่อการปะทุ แต่หาก ELM มีความถี่น้อยกว่า พลาสมาและพลังงานที่ปล่อยออกมาต่อการปะทุก็จะสูง โดยมีโอกาสเกิดความเสียหายได้มากกว่า การวิจัยล่าสุดได้พิจารณาวิธีการควบคุมและเพิ่มความถี่ของ ELM เช่น การฉีดเม็ดหรือสนามแม่เหล็กเพิ่มเติมที่มีขนาดน้อยมาก

ตามที่พวกเขาคาดไว้ ทีมงานของ Unterberg พบว่าการมีทังสเตนอยู่ห่างจากจุดโจมตีที่มีฟลักซ์สูงจะเพิ่มความน่าจะเป็นของการปนเปื้อนอย่างมากเมื่อสัมผัสกับ ELM ความถี่ต่ำซึ่งมีปริมาณพลังงานสูงกว่าและการสัมผัสพื้นผิวต่อเหตุการณ์ นอกจากนี้ ทีมงานยังพบว่าบริเวณเป้าหมายไกลของตัวเปลี่ยนทิศทางนี้มีแนวโน้มที่จะปนเปื้อน SOL มากกว่า แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วจะมีฟลักซ์ต่ำกว่าจุดโจมตีก็ตาม ผลลัพธ์ที่ดูเหมือนขัดกับสัญชาตญาณเหล่านี้ได้รับการยืนยันจากความพยายามในการสร้างแบบจำลองไดเวอร์เตอร์ที่เกี่ยวข้องกับโครงการนี้และการทดลองในอนาคตกับ DIII-D

โครงการนี้เกี่ยวข้องกับทีมผู้เชี่ยวชาญจากทั่วอเมริกาเหนือ รวมถึงผู้ร่วมมือจาก Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, University of California at San Diego, the University of Toronto, มหาวิทยาลัยเทนเนสซี - น็อกซ์วิลล์ และมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน - แมดิสัน เนื่องจากเป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับการวิจัยปฏิสัมพันธ์ระหว่างพลาสมากับวัสดุ สำนักงานวิทยาศาสตร์ของ DOE (Fusion Energy Sciences) ให้การสนับสนุนการศึกษานี้

ทีมงานได้ตีพิมพ์งานวิจัยออนไลน์เมื่อต้นปีนี้ในวารสารนิวเคลียร์ฟิวชั่น.

การวิจัยอาจเป็นประโยชน์ต่อ Joint European Torus หรือ JET และ ITER ได้ทันที ซึ่งขณะนี้อยู่ระหว่างการก่อสร้างในเมือง Cadarache ประเทศฝรั่งเศส ซึ่งทั้งสองแห่งใช้เกราะทังสเตนสำหรับตัวเปลี่ยนเส้นทาง

“แต่เรากำลังดูสิ่งต่าง ๆ นอกเหนือจาก ITER และ JET—เรากำลังดูเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันแห่งอนาคต” Unterberg กล่าว “ใส่ทังสเตนที่ไหนดีที่สุด และไม่ควรใส่ทังสเตนที่ไหน? เป้าหมายสูงสุดของเราคือการหุ้มเกราะเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันของเราด้วยวิธีที่ชาญฉลาดเมื่อพวกมันมาถึง”

Unterberg กล่าวว่า Stable Isotopes Group อันเป็นเอกลักษณ์ของ ORNL ซึ่งพัฒนาและทดสอบสารเคลือบไอโซโทปเสริมสมรรถนะก่อนที่จะนำไปวางในรูปแบบที่เป็นประโยชน์สำหรับการทดลอง ทำให้การวิจัยเป็นไปได้ ไอโซโทปดังกล่าวคงไม่สามารถหาได้จากที่ใดนอกจากจากศูนย์พัฒนาไอโซโทปแห่งชาติที่ ORNL ซึ่งเก็บรักษาคลังเก็บองค์ประกอบเกือบทุกองค์ประกอบที่แยกออกจากกันโดยไอโซโทป เขากล่าว

“ORNL มีความเชี่ยวชาญเฉพาะตัวและมีความต้องการเฉพาะสำหรับการวิจัยประเภทนี้” Unterberg กล่าว “เรามีมรดกอันยาวนานในการพัฒนาไอโซโทปและนำไอโซโทปเหล่านั้นไปใช้ในการวิจัยทุกประเภทในการใช้งานที่แตกต่างกันทั่วโลก”

นอกจากนี้ ORNL ยังบริหารจัดการ US ITER

ต่อไป ทีมงานจะดูว่าการใส่ทังสเตนลงในตัวเปลี่ยนทิศทางที่มีรูปร่างแตกต่างกันอาจส่งผลต่อการปนเปื้อนของแกนกลางอย่างไร รูปทรงเรขาคณิตของตัวเปลี่ยนทิศทางที่แตกต่างกันสามารถลดผลกระทบของปฏิกิริยาระหว่างพลาสมากับวัสดุบนพลาสมาแกนกลางได้ การรู้รูปร่างที่ดีที่สุดสำหรับไดเวอร์เตอร์ ซึ่งเป็นส่วนประกอบที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์พลาสมาที่ถูกจำกัดด้วยแม่เหล็ก จะทำให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใกล้เครื่องปฏิกรณ์พลาสมาที่ทำงานได้อีกก้าวหนึ่ง

“ถ้าเราในฐานะสังคม บอกว่าเราต้องการให้พลังงานนิวเคลียร์เกิดขึ้น และเราต้องการก้าวไปสู่ขั้นต่อไป” อันเทอร์เบิร์กกล่าว “ฟิวชั่นจะเป็นจอกศักดิ์สิทธิ์”