Ang loob ng hinaharap na mga nuclear fusion energy reactor ay isa sa mga pinakamalupit na kapaligiran na ginawa sa Earth. Ano ang sapat na lakas upang maprotektahan ang loob ng isang fusion reactor mula sa mga heat flux na ginawa ng plasma na katulad ng mga space shuttle na muling pumapasok sa atmospera ng Earth?

Gumamit ang mga mananaliksik ng ORNL ng natural na tungsten (dilaw) at pinayaman na tungsten (orange) upang subaybayan ang pagguho, transportasyon at muling pagdeposisyon ng tungsten. Ang Tungsten ay ang nangungunang opsyon sa armor sa loob ng isang fusion device.

Si Zeke Unterberg at ang kanyang koponan sa Oak Ridge National Laboratory ng Department of Energy ay kasalukuyang nagtatrabaho kasama ang nangungunang kandidato: tungsten, na may pinakamataas na punto ng pagkatunaw at pinakamababang presyon ng singaw sa lahat ng mga metal sa periodic table, pati na rin ang napakataas na lakas ng tensile— mga ari-arian na ginagawang angkop na kumuha ng pang-aabuso sa mahabang panahon. Nakatuon ang mga ito sa pag-unawa kung paano gagana ang tungsten sa loob ng isang fusion reactor, isang device na nagpapainit ng mga light atom sa mga temperaturang mas mainit kaysa sa core ng araw upang mag-fuse at maglabas ng enerhiya ang mga ito. Ang hydrogen gas sa isang fusion reactor ay na-convert sa hydrogen plasma—isang estado ng matter na binubuo ng bahagyang ionized na gas—na pagkatapos ay ikukulong sa isang maliit na rehiyon ng malalakas na magnetic field o laser.

"Hindi mo gustong maglagay ng isang bagay sa iyong reactor na tumatagal lamang ng ilang araw," sabi ni Unterberg, isang senior research scientist sa Fusion Energy Division ng ORNL. "Gusto mong magkaroon ng sapat na buhay. Naglalagay kami ng tungsten sa mga lugar kung saan inaasahan naming magkakaroon ng napakataas na pambobomba sa plasma.

Noong 2016, nagsimulang magsagawa ng mga eksperimento si Unterberg at ang koponan sa tokamak, isang fusion reactor na gumagamit ng mga magnetic-field upang maglaman ng isang singsing ng plasma, sa DIII-D National Fusion Facility, isang pasilidad ng gumagamit ng DOE Office of Science sa San Diego. Nais nilang malaman kung ang tungsten ay maaaring gamitin upang baluti ang vacuum chamber ng tokamak—pinoprotektahan ito mula sa mabilis na pagkasira na dulot ng mga epekto ng plasma—nang hindi masyadong nakontamina ang plasma mismo. Ang kontaminasyong ito, kung hindi sapat na pinamamahalaan, ay maaaring tuluyang mapatay ang reaksyon ng pagsasanib.

"Sinusubukan naming matukoy kung anong mga lugar sa silid ang magiging partikular na masama: kung saan ang tungsten ay malamang na makabuo ng mga impurities na maaaring mahawahan ang plasma," sabi ni Unterberg.

Upang mahanap iyon, ginamit ng mga mananaliksik ang isang enriched isotope ng tungsten, W-182, kasama ang hindi binagong isotope, upang masubaybayan ang pagguho, transportasyon at muling pagdeposisyon ng tungsten mula sa loob ng divertor. Ang pagtingin sa paggalaw ng tungsten sa loob ng divertor—isang lugar sa loob ng vacuum chamber na idinisenyo upang ilihis ang plasma at mga dumi—ay nagbigay sa kanila ng mas malinaw na larawan kung paano ito nadudurog mula sa mga ibabaw sa loob ng tokamak at nakikipag-ugnayan sa plasma. Ang enriched tungsten isotope ay may parehong pisikal at kemikal na mga katangian tulad ng regular na tungsten. Ang mga eksperimento sa DIII-D ay gumamit ng maliliit na metal insert na pinahiran ng enriched isotope na inilagay malapit sa, ngunit hindi sa, ang pinakamataas na heat flux zone, isang lugar sa sisidlan na karaniwang tinatawag na divertor far-target region. Hiwalay, sa isang divertor na rehiyon na may pinakamataas na flux, ang strike-point, gumamit ang mga mananaliksik ng mga insert na may hindi binagong isotope. Ang natitira sa silid ng DIII-D ay nakabaluti ng grapayt.

Ang setup na ito ay nagpapahintulot sa mga mananaliksik na mangolekta ng mga sample sa mga espesyal na probes na pansamantalang ipinasok sa silid para sa pagsukat ng daloy ng karumihan papunta at mula sa armor ng sisidlan, na maaaring magbigay sa kanila ng mas tumpak na ideya kung saan ang tungsten na tumagas mula sa divertor papunta sa silid ay nagkaroon. nagmula.

"Ang paggamit ng enriched isotope ay nagbigay sa amin ng isang natatanging fingerprint," sabi ni Unterberg.

Ito ang unang eksperimento na isinagawa sa isang fusion device. Ang isang layunin ay upang matukoy ang pinakamahusay na mga materyales at lokasyon para sa mga materyales na ito para sa chamber armoring, habang pinapanatili ang mga impurities na dulot ng mga pakikipag-ugnayan ng plasma-materyal na higit sa lahat ay nakapaloob sa divertor at hindi nakontamina ang magnet-confined core plasma na ginamit upang makagawa ng fusion.

Ang isang komplikasyon sa disenyo at pagpapatakbo ng mga divertor ay ang kontaminasyon ng impurity sa plasma na dulot ng mga edge-localized mode, o ELM. Ang ilan sa mga mabilis, mataas na enerhiyang kaganapang ito, na katulad ng mga solar flare, ay maaaring makapinsala o makasira ng mga bahagi ng sasakyang-dagat gaya ng mga divertor plate. Ang dalas ng mga ELM, ang mga oras sa bawat segundo na nangyayari ang mga kaganapang ito, ay isang tagapagpahiwatig ng dami ng enerhiya na inilabas mula sa plasma patungo sa dingding. Ang mga high-frequency na ELM ay maaaring maglabas ng mababang halaga ng plasma sa bawat pagsabog, ngunit kung ang mga ELM ay hindi gaanong madalas, ang plasma at enerhiya na inilalabas sa bawat pagsabog ay mataas, na may mas malaking posibilidad para sa pinsala. Ang kamakailang pananaliksik ay tumingin sa mga paraan upang kontrolin at palakihin ang dalas ng mga ELM, gaya ng may pellet injection o karagdagang magnetic field sa napakaliit na magnitude.

Nalaman ng koponan ni Unterberg, tulad ng inaasahan nila, na ang pagkakaroon ng tungsten na malayo sa high-flux strike-point ay lubos na nagpapataas ng posibilidad ng kontaminasyon kapag nalantad sa mga low-frequency na ELM na may mas mataas na nilalaman ng enerhiya at contact sa ibabaw bawat kaganapan. Bukod pa rito, nalaman ng team na ang divertor na ito na malayong target na rehiyon ay mas madaling kapitan ng kontaminasyon sa SOL kahit na ito ay karaniwang may mas mababang mga pagbabago kaysa sa strike-point. Ang mga mukhang counterintuitive na resultang ito ay kinukumpirma ng patuloy na pagsusumikap sa pagmomodelo ng divertor kaugnay ng proyektong ito at mga eksperimento sa hinaharap sa DIII-D.

Kasama sa proyektong ito ang isang pangkat ng mga eksperto mula sa buong North America, kabilang ang mga collaborator mula sa Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, University of California sa San Diego, University of Toronto, ang Unibersidad ng Tennessee—Knoxville, at ang Unibersidad ng Wisconsin-Madison, dahil nagbigay ito ng makabuluhang tool para sa pananaliksik sa pakikipag-ugnayan ng plasma-materyal. Ang Opisina ng Agham ng DOE (Fusion Energy Sciences) ay nagbigay ng suporta para sa pag-aaral.

Ang koponan ay nag-publish ng pananaliksik online nang mas maaga sa taong ito sa journalNuclear Fusion.

Ang pananaliksik ay maaaring agad na makinabang sa Joint European Torus, o JET, at ITER, na kasalukuyang ginagawa sa Cadarache, France, na parehong gumagamit ng tungsten armor para sa divertor.

"Ngunit tinitingnan namin ang mga bagay na lampas sa ITER at JET-tinitingnan namin ang mga fusion reactor ng hinaharap," sabi ni Unterberg. "Saan ang pinakamahusay na maglagay ng tungsten, at saan mo hindi dapat ilagay ang tungsten? Ang aming pangwakas na layunin ay upang armor ang aming mga fusion reactor, pagdating nila, sa matalinong paraan.

Sinabi ni Unterberg na ang natatanging Stable Isotopes Group ng ORNL, na bumuo at sumubok sa enriched isotope coating bago ito ilagay sa isang form na kapaki-pakinabang para sa eksperimento, ay naging posible ang pananaliksik. Ang isotope na iyon ay hindi makukuha kahit saan ngunit mula sa National Isotope Development Center sa ORNL, na nagpapanatili ng stockpile ng halos bawat elemento na isotopically separated, aniya.

"Ang ORNL ay may natatanging kadalubhasaan at partikular na mga hangarin para sa ganitong uri ng pananaliksik," sabi ni Unterberg. "Mayroon kaming mahabang legacy ng pagbuo ng isotopes at paggamit ng mga iyon sa lahat ng uri ng pananaliksik sa iba't ibang mga aplikasyon sa buong mundo."

Bilang karagdagan, pinamamahalaan ng ORNL ang US ITER.

Susunod, titingnan ng koponan kung paano maaaring makaapekto sa kontaminasyon ng core ang paglalagay ng tungsten sa iba't ibang hugis na mga divertor. Ang iba't ibang divertor geometries ay maaaring mabawasan ang mga epekto ng plasma-materyal na pakikipag-ugnayan sa core plasma, ayon sa kanilang teorya. Ang pag-alam sa pinakamagandang hugis para sa isang divertor—isang kinakailangang bahagi para sa isang magnetic-confined plasma device—ay maglalagay sa mga siyentipiko ng isang hakbang na mas malapit sa isang mabubuhay na plasma reactor.

"Kung tayo, bilang isang lipunan, ay nagsasabi na gusto nating mangyari ang enerhiyang nukleyar, at gusto nating lumipat sa susunod na yugto," sabi ni Unterberg, "ang pagsasanib ang magiging banal na kopita."