Gelecekteki nükleer füzyon enerji reaktörlerinin içi, Dünya üzerinde şimdiye kadar üretilmiş en zorlu ortamlardan biri olacak. Bir füzyon reaktörünün içini, Dünya atmosferine yeniden giren uzay mekiklerine benzer şekilde, plazma tarafından üretilen ısı akışlarından koruyacak kadar güçlü olan şey nedir?

ORNL araştırmacıları, tungstenin erozyonunu, taşınmasını ve yeniden birikmesini izlemek için doğal tungsten (sarı) ve zenginleştirilmiş tungsten (turuncu) kullandı. Tungsten, bir füzyon cihazının içini zırhlamak için önde gelen seçenektir.

Zeke Unterberg ve Enerji Bakanlığı'nın Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndaki ekibi şu anda önde gelen adayla çalışıyor: Periyodik tablodaki tüm metaller arasında en yüksek erime noktasına ve en düşük buhar basıncına sahip olan, ayrıca çok yüksek gerilme mukavemetine sahip olan tungsten. uzun süre suistimal edilmeyi uygun hale getiren özellikler. Tungstenin, hafif atomları güneşin çekirdeğinden daha yüksek sıcaklıklara ısıtan ve böylece kaynaşıp enerji açığa çıkaran bir cihaz olan füzyon reaktöründe nasıl çalışacağını anlamaya odaklanıyorlar. Bir füzyon reaktöründeki hidrojen gazı, maddenin kısmen iyonize gazdan oluşan bir hali olan hidrojen plazmasına dönüştürülür ve daha sonra güçlü manyetik alanlar veya lazerler tarafından küçük bir bölgede hapsedilir.

ORNL'nin Füzyon Enerjisi Bölümünde kıdemli araştırma bilimcisi olan Unterberg, "Reaktörünüze yalnızca birkaç gün dayanacak bir şey koymak istemezsiniz" dedi. “Yeterli bir ömre sahip olmak istiyorsunuz. Çok yüksek plazma bombardımanı olacağını tahmin ettiğimiz bölgelere tungsten koyuyoruz.”

2016 yılında Unterberg ve ekibi, San Diego'daki bir DOE Bilim Ofisi kullanıcı tesisi olan DIII-D Ulusal Füzyon Tesisi'nde, bir plazma halkasını içermek için manyetik alanları kullanan bir füzyon reaktörü olan tokamak üzerinde deneyler yapmaya başladı. Tungstenin, tokamak'ın vakum odasını, plazmanın kendisini ağır bir şekilde kirletmeden, plazmanın etkilerinin neden olduğu hızlı yıkımdan korumak için zırhlamak için kullanılıp kullanılamayacağını bilmek istiyorlardı. Bu kirlenme yeterince yönetilmezse sonuçta füzyon reaksiyonunu söndürebilir.

Unterberg, "Odadaki hangi alanların özellikle kötü olacağını belirlemeye çalışıyorduk: tungstenin plazmayı kirletebilecek safsızlıklar üretme olasılığının en yüksek olduğu yerler." dedi.

Bunu bulmak için araştırmacılar, tungstenin dalgıcın içinden erozyonunu, taşınmasını ve yeniden birikmesini izlemek için zenginleştirilmiş bir tungsten izotopu olan W-182'yi değiştirilmemiş izotopla birlikte kullandılar. Plazmayı ve safsızlıkları yönlendirmek için tasarlanmış vakum odası içindeki bir alan olan dalgıç içindeki tungstenin hareketine bakmak, onlara tokamak içindeki yüzeylerden nasıl aşındığına ve plazma ile etkileşime girdiğine dair daha net bir resim verdi. Zenginleştirilmiş tungsten izotopu, normal tungsten ile aynı fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptir. DIII-D'deki deneylerde, kaptaki tipik olarak saptırıcı uzak hedef bölgesi olarak adlandırılan en yüksek ısı akısı bölgesine yakın fakat bu bölgeye yerleştirilmemiş, zenginleştirilmiş izotopla kaplanmış küçük metal parçalar kullanıldı. Ayrı olarak, en yüksek akıya sahip olan saptırma bölgesinde, yani vuruş noktasında, araştırmacılar değiştirilmemiş izotop içeren eklentiler kullandılar. DIII-D bölmesinin geri kalanı grafit ile zırhlanmıştır.

Bu kurulum, araştırmacıların, gemi zırhına giren ve çıkan yabancı madde akışını ölçmek için odaya geçici olarak yerleştirilen özel sondalar üzerinden örnekler toplamasına olanak tanıdı; bu, onlara, dalgıçtan odaya sızan tungstenin nerede olduğu konusunda daha kesin bir fikir verebilirdi. kökenli.

Unterberg, "Zenginleştirilmiş izotopu kullanmak bize benzersiz bir parmak izi verdi" dedi.

Bu, bir füzyon cihazında gerçekleştirilen bu türden ilk deneydi. Amaçlardan biri, oda zırhlaması için bu malzemeler için en iyi malzemeleri ve konumu belirlemek, bu arada plazma-malzeme etkileşimlerinin neden olduğu safsızlıkları büyük ölçüde dalgıçta tutmak ve füzyon üretmek için kullanılan mıknatısla sınırlı çekirdek plazmayı kirletmemekti.

Yönlendiricilerin tasarımı ve çalıştırılmasıyla ilgili bir komplikasyon, kenar lokalize modların veya ELM'lerin neden olduğu plazmadaki yabancı madde kirliliğidir. Güneş patlamalarına benzeyen bu hızlı, yüksek enerjili olayların bazıları, saptırıcı plakalar gibi gemi bileşenlerine zarar verebilir veya yok edebilir. ELM'lerin frekansı, bu olayların saniye başına gerçekleşme sayısı, plazmadan duvara salınan enerji miktarının bir göstergesidir. Yüksek frekanslı ELM'ler patlama başına düşük miktarlarda plazma açığa çıkarabilir, ancak ELM'ler daha az sıklıktaysa patlama başına salınan plazma ve enerji yüksektir ve hasar olasılığı daha yüksektir. Son araştırmalar, pelet enjeksiyonu veya çok küçük boyutlarda ek manyetik alanlar gibi ELM'lerin frekansını kontrol etmenin ve arttırmanın yollarını araştırdı.

Unterberg'in ekibi, bekledikleri gibi, tungstenin yüksek akı vuruş noktasından uzakta olmasının, daha yüksek enerji içeriğine ve olay başına yüzey temasına sahip düşük frekanslı ELM'lere maruz kaldığında kirlenme olasılığını büyük ölçüde artırdığını buldu. Ek olarak ekip, bu saptırıcı uzak hedef bölgesinin, genel olarak vuruş noktasından daha düşük akışlara sahip olmasına rağmen, SOL'u kirletmeye daha yatkın olduğunu buldu. Bu görünüşte mantığa aykırı sonuçlar, bu projeyle ilgili devam eden dalgıç modelleme çalışmaları ve DIII-D üzerinde gelecekteki deneylerle doğrulanıyor.

Bu proje, Princeton Plazma Fizik Laboratuvarı, Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı, Sandia Ulusal Laboratuvarları, ORNL, General Atomics, Auburn Üniversitesi, San Diego'daki Kaliforniya Üniversitesi, Toronto Üniversitesi'nden işbirlikçileri de dahil olmak üzere Kuzey Amerika'nın dört bir yanından uzmanlardan oluşan bir ekibi içeriyordu. Tennessee Üniversitesi-Knoxville ve Wisconsin-Madison Üniversitesi, plazma-materyal etkileşimi araştırması için önemli bir araç sağladığı için. DOE'nin Bilim Ofisi (Füzyon Enerji Bilimleri) çalışmaya destek sağladı.

Ekip bu yılın başlarında dergide araştırmayı çevrimiçi olarak yayınladıNükleer Füzyon.

Araştırma, şu anda Cadarache, Fransa'da yapım aşamasında olan ve her ikisi de dalgıç için tungsten zırh kullanan Ortak Avrupa Torus veya JET ve ITER'e hemen fayda sağlayabilir.

Unterberg, "Fakat biz ITER ve JET'in ötesindeki şeylere bakıyoruz; geleceğin füzyon reaktörlerine bakıyoruz" dedi. “Tungsteni nereye koymak en iyisidir ve tungsteni nereye koymamalısınız? Nihai hedefimiz, füzyon reaktörlerimizi geldikleri zaman akıllı bir şekilde zırhlandırmaktır.”

Unterberg, zenginleştirilmiş izotop kaplamayı deney için yararlı bir forma koymadan önce geliştiren ve test eden ORNL'nin benzersiz Stabil İzotoplar Grubunun araştırmayı mümkün kıldığını söyledi. Kendisi, bu izotopun, izotopik olarak ayrılmış hemen hemen her elementin stokunu bulunduran ORNL'deki Ulusal İzotop Geliştirme Merkezi dışında hiçbir yerde bulunamayacağını söyledi.

Unterberg, "ORNL'nin bu tür araştırmalar için benzersiz bir uzmanlığı ve özel istekleri var" dedi. "İzotop geliştirme ve bunları dünya çapında farklı uygulamalardaki her türlü araştırmada kullanma konusunda uzun bir mirasa sahibiz."

Ayrıca ORNL, US ITER'ı yönetir.

Daha sonra ekip, tungstenin farklı şekilli dalgıçlara yerleştirilmesinin çekirdeğin kirlenmesini nasıl etkileyebileceğine bakacak. Farklı dalgıç geometrilerinin, plazma-materyal etkileşimlerinin çekirdek plazma üzerindeki etkilerini en aza indirebileceğini teorileştirdiler. Manyetik sınırlı bir plazma cihazı için gerekli bir bileşen olan dalgıcın en iyi şeklini bilmek, bilim adamlarını uygulanabilir bir plazma reaktörüne bir adım daha yaklaştıracaktır.

Unterberg, "Toplum olarak nükleer enerjinin gerçekleşmesini istediğimizi ve bir sonraki aşamaya geçmek istediğimizi söylersek, füzyon kutsal kâse olur" dedi.