Внутрішня частина майбутніх реакторів ядерного синтезу буде одним з найсуворіших умов, які будь-коли створювалися на Землі. Що достатньо міцно, щоб захистити внутрішню частину термоядерного реактора від теплових потоків, створюваних плазмою, подібних до космічних човників, які повертаються в атмосферу Землі?

Дослідники ORNL використовували природний вольфрам (жовтий) і збагачений вольфрам (помаранчевий), щоб відстежити ерозію, транспортування та повторне відкладення вольфраму. Вольфрам є провідним варіантом бронювання внутрішньої частини термоядерного пристрою.

Зік Унтерберг і його команда в Оук-Ріджській національній лабораторії Міністерства енергетики зараз працюють із провідним кандидатом: вольфрамом, який має найвищу температуру плавлення та найнижчий тиск пари з усіх металів у періодичній таблиці, а також дуже високу міцність на розрив… властивості, які роблять його придатним для зловживань протягом тривалого часу. Вони зосереджені на тому, щоб зрозуміти, як вольфрам працюватиме в термоядерному реакторі, пристрої, який нагріває легкі атоми до температур, вищих за температуру ядра Сонця, щоб вони зливалися та вивільняли енергію. Газоподібний водень у термоядерному реакторі перетворюється на водневу плазму — стан речовини, що складається з частково іонізованого газу, — який потім утримується в невеликій області сильними магнітними полями або лазерами.

«Ви не хочете поміщати у свій реактор щось, що прослужить лише пару днів», — сказав Унтерберг, старший науковий співробітник відділу термоядерної енергії ORNL. «Ви хочете мати достатню тривалість життя. Ми розміщуємо вольфрам у місцях, де, як ми очікуємо, буде дуже сильне плазмове бомбардування».

У 2016 році Унтерберг і команда почали проводити експерименти в токамаку, термоядерному реакторі, який використовує магнітні поля для утримання кільця плазми, у DIII-D National Fusion Facility, установі для користувачів Управління науки DOE у Сан-Дієго. Вони хотіли знати, чи можна використовувати вольфрам для захисту вакуумної камери токамака, щоб захистити її від швидкого руйнування, спричиненого впливом плазми, без сильного забруднення самої плазми. Це забруднення, якщо не впоратися належним чином, може зрештою погасити реакцію синтезу.

«Ми намагалися визначити, які області в камері будуть особливо поганими: де вольфрам, швидше за все, утворюватиме домішки, які можуть забруднити плазму», — сказав Унтерберг.

Щоб виявити це, дослідники використали збагачений ізотоп вольфраму W-182 разом із немодифікованим ізотопом, щоб відстежити ерозію, транспортування та повторне відкладення вольфраму всередині дивертора. Подивившись на рух вольфраму всередині дивертора — області у вакуумній камері, призначеній для відведення плазми та домішок, — вони дали чіткішу картину того, як він розмивається з поверхонь у токамаку та взаємодіє з плазмою. Збагачений ізотоп вольфраму має ті самі фізичні та хімічні властивості, що й звичайний вольфрам. Експерименти в DIII-D використовували невеликі металеві вставки, вкриті збагаченим ізотопом, розташовані поблизу, але не в зоні найвищого теплового потоку, області в посудині, яку зазвичай називають зоною далекої цілі відводу. Окремо в ділянці дивертора з найвищими потоками, точці удару, дослідники використовували вставки з немодифікованим ізотопом. Решта камери DIII-D броньована графітом.

Ця установка дозволила дослідникам зібрати зразки за допомогою спеціальних зондів, тимчасово вставлених у камеру для вимірювання потоку домішок до броні судини та з неї, що могло дати їм більш точне уявлення про те, де вольфрам, який витік із дивертора в камеру, мав виникла.

«Використання збагаченого ізотопу дало нам унікальний відбиток пальця», — сказав Унтерберг.

Це був перший такий експеримент, проведений на термоядерному пристрої. Одна з цілей полягала в тому, щоб визначити найкращі матеріали та місце для цих матеріалів для бронювання камери, утримуючи при цьому домішки, спричинені взаємодією плазми та матеріалу, значною мірою у відводі та не забруднюючи плазму ядра, обмеженого магнітом, яка використовується для синтезу.

Однією з ускладнень, пов’язаних з проектуванням і роботою диверторів, є забруднення плазми домішками, викликане локалізованими по краях модами або ELM. Деякі з цих швидких подій високої енергії, схожих на сонячні спалахи, можуть пошкодити або знищити такі компоненти судини, як пластини відводу. Частота ELMs, кількість разів на секунду, коли ці події відбуваються, є показником кількості енергії, що виділяється від плазми до стінки. Високочастотні ELM можуть вивільняти невелику кількість плазми за виверження, але якщо ELM рідше, плазма та енергія, що вивільняються за виверження, є високими, з більшою ймовірністю пошкодження. Нещодавні дослідження розглядали способи контролю та збільшення частоти ELMs, наприклад, за допомогою впорскування гранул або додаткових магнітних полів на дуже малих величинах.

Команда Унтерберга виявила, як вони і очікували, що розміщення вольфраму далеко від точки удару високого потоку значно збільшує ймовірність забруднення під впливом низькочастотних ELM, які мають більший енергетичний вміст і поверхневий контакт за подію. Крім того, команда виявила, що ця дальна цільова область відводу була більш схильною до забруднення SOL, навіть незважаючи на те, що вона зазвичай має нижчі потоки, ніж точка удару. Ці, здавалося б, суперечливі результати підтверджуються поточними зусиллями з моделювання дивертора у зв’язку з цим проектом і майбутніми експериментами на DIII-D.

У цьому проекті брала участь команда експертів з усієї Північної Америки, включаючи співробітників з Прінстонської лабораторії фізики плазми, Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса, національних лабораторій Сандіа, ORNL, General Atomics, Auburn University, Каліфорнійського університету в Сан-Дієго, Університету Торонто, Університет Теннессі-Ноксвілл та Університет Вісконсіна-Медісон, оскільки вони стали важливим інструментом для дослідження взаємодії плазми з матеріалом. Наукове управління Міністерства енергетики (Fusion Energy Sciences) надало підтримку в дослідженні.

Команда опублікувала дослідження онлайн на початку цього року в журналіЯдерний синтез.

Дослідження можуть негайно принести користь Joint European Torus, або JET, і ITER, які зараз будуються в Кадараше, Франція, обидва з яких використовують вольфрамову броню для дивертора.

«Але ми розглядаємо речі, окрім ITER і JET — ми дивимось на термоядерні реактори майбутнього», — сказав Унтерберг. «Куди найкраще класти вольфрам, а куди не варто? Наша кінцева мета — захистити наші термоядерні реактори, коли вони з’являться, розумним способом».

Унтерберг сказав, що унікальна група стабільних ізотопів ORNL, яка розробила та випробувала збагачене ізотопне покриття перед тим, як надати йому форму, придатну для експерименту, зробила дослідження можливим. За його словами, цей ізотоп не був би доступний ніде, крім як у Національному центрі розробки ізотопів при ORNL, який зберігає запаси майже кожного ізотопно розділеного елемента.

«ORNL має унікальний досвід і особливі бажання щодо такого типу досліджень», — сказав Унтерберг. «У нас є довгий досвід розробки ізотопів і використання їх у всіх видах досліджень у різних сферах застосування по всьому світу».

Крім того, ORNL управляє US ITER.

Далі команда розгляне, як розміщення вольфраму в диверторах різної форми може вплинути на забруднення серцевини. Вони припустили, що різні геометрії дивертора можуть мінімізувати вплив взаємодії плазми з матеріалом на плазму ядра. Знання найкращої форми дивертора — необхідного компонента для плазмового пристрою з магнітним обмеженням — наблизило б вчених на крок ближче до життєздатного плазмового реактора.

«Якщо ми, як суспільство, скажемо, що ми хочемо, щоб ядерна енергетика виникла, і ми хочемо перейти до наступного етапу, - сказав Унтерберг, - термоядерний синтез був би святим Граалем».