Kelajakdagi yadroviy termoyadroviy energiya reaktorlarining ichki qismi Yerda ishlab chiqarilgan eng og'ir muhitlardan biri bo'ladi. Termoyadroviy reaktorning ichki qismini Yer atmosferasiga qayta kiruvchi kosmik kemalarga o'xshash plazma ishlab chiqaradigan issiqlik oqimlaridan himoya qilish uchun nima kuchli?

ORNL tadqiqotchilari volframning eroziyasi, tashilishi va qayta joylashishini kuzatish uchun tabiiy volfram (sariq) va boyitilgan volfram (apelsin) dan foydalangan. Volfram termoyadroviy qurilmaning ichki qismini zirhlashning etakchi variantidir.

Zeke Unterberg va uning Energetika departamentining Oak Ridge milliy laboratoriyasidagi jamoasi hozirda yetakchi nomzod bilan ishlamoqda: davriy jadvaldagi barcha metallar orasida eng yuqori erish nuqtasi va eng past bug‘ bosimiga ega volfram, shuningdek, juda yuqori kuchlanish kuchi— uzoq vaqt davomida suiiste'mol qilish uchun juda mos bo'lgan xususiyatlar. Ular volframning termoyadroviy reaktor ichida qanday ishlashini tushunishga e'tibor qaratishgan, ya'ni yorug'lik atomlarini quyosh yadrosidan ham issiqroq haroratgacha qizdirib, energiyani ajratib turadigan qurilma. Termoyadroviy reaktordagi vodorod gazi vodorod plazmasiga aylanadi - qisman ionlangan gazdan iborat bo'lgan moddaning holati, keyinchalik u kichik hududda kuchli magnit maydonlar yoki lazerlar bilan chegaralanadi.

"Siz o'zingizning reaktoringizga bir necha kun davom etadigan biror narsa qo'yishni xohlamaysiz", dedi Unterberg, ORNLning Fusion Energy bo'limining katta tadqiqotchisi. "Siz etarli umrga ega bo'lishni xohlaysiz. Biz volframni plazma bombardimonlari juda yuqori bo'lishini kutgan joylarga joylashtirdik.

2016 yilda Unterberg va jamoa San-Diegodagi DOE Office of Science foydalanuvchi ob'ekti bo'lgan DIII-D National Fusion Facilityda plazma halqasini o'z ichiga olgan magnit maydonlardan foydalanadigan termoyadroviy reaktor tokamakda tajriba o'tkazishni boshladi. Ular volframdan tokamakning vakuum kamerasini zirhlashda - uni plazma ta'siridan tez yo'q qilishdan himoya qilishda - plazmaning o'zini qattiq ifloslantirmasdan foydalanish mumkinligini bilishni xohlashdi. Ushbu ifloslanish, agar etarli darajada boshqarilmasa, oxir-oqibat termoyadroviy reaktsiyani o'chirishi mumkin.

"Biz palataning qaysi joylari ayniqsa yomon bo'lishini aniqlashga harakat qildik: volfram plazmani ifloslantirishi mumkin bo'lgan aralashmalar hosil qilishi mumkin", dedi Unterberg.

Buni aniqlash uchun tadqiqotchilar volframning boyitilgan izotopi W-182 va o'zgartirilmagan izotop bilan birga volframning eroziyasini, tashilishini va divertor ichidan qayta joylashishini kuzatishdi. Divertor ichidagi volframning harakatini ko'rib chiqish - vakuum kamerasi ichidagi plazma va aralashmalarni yo'naltirish uchun mo'ljallangan maydon - ularning tokamak ichidagi sirtlardan qanday eroziyalanishi va plazma bilan o'zaro ta'siri haqida aniqroq tasavvurga ega bo'ldi. Boyitilgan volfram izotopi oddiy volfram bilan bir xil fizik va kimyoviy xususiyatlarga ega. DIII-D da o'tkazilgan tajribalarda boyitilgan izotop bilan qoplangan kichik metall qo'shimchalar ishlatilgan, lekin eng yuqori issiqlik oqimi zonasiga yaqin joylashgan, bu idishdagi odatda divertor uzoq maqsadli hudud deb ataladigan hududda emas. Alohida-alohida, eng yuqori oqimlar, zarba nuqtasi bo'lgan divertor hududida tadqiqotchilar o'zgartirilmagan izotopli qo'shimchalardan foydalanganlar. DIII-D kamerasining qolgan qismi grafit bilan zirhlangan.

Ushbu o'rnatish tadqiqotchilarga idish zirhiga kiruvchi va undan chiqadigan aralashmalar oqimini o'lchash uchun kameraga vaqtincha o'rnatilgan maxsus zondlarda namunalar to'plash imkonini berdi, bu ularga divertordan kameraga oqib ketgan volfram qayerda ekanligi haqida aniqroq tasavvurga ega bo'lishi mumkin edi. kelib chiqqan.

"Boyitilgan izotopdan foydalanish bizga noyob barmoq izini berdi", dedi Unterberg.

Bu termoyadroviy qurilmada o'tkazilgan birinchi bunday tajriba edi. Maqsadlardan biri bu materiallarning kamerali zirhlash uchun eng yaxshi materiallari va joylashishini aniqlash edi, shu bilan birga plazma-material o'zaro ta'siridan kelib chiqadigan aralashmalarni asosan divertorda saqlaydi va termoyadroviy ishlab chiqarish uchun ishlatiladigan magnit bilan cheklangan yadro plazmasini ifloslantirmaydi.

Divertorlarni loyihalash va ishlatish bilan bog'liq qiyinchiliklardan biri bu chekka lokalizatsiya rejimlari yoki ELMlar natijasida kelib chiqqan plazmadagi ifloslanishdir. Quyosh chaqnashlariga o'xshash tez, yuqori energiyali hodisalarning ba'zilari divertor plitalari kabi kema tarkibiy qismlariga zarar etkazishi yoki yo'q qilishi mumkin. ELMlarning chastotasi, bu hodisalarning soniyada sodir bo'lish vaqti plazmadan devorga chiqarilgan energiya miqdorining ko'rsatkichidir. Yuqori chastotali ELMlar otilishda past miqdordagi plazmani chiqarishi mumkin, ammo ELMlar kamroq bo'lsa, portlashda chiqariladigan plazma va energiya yuqori bo'lib, shikastlanish ehtimoli katta. So'nggi tadqiqotlar ELM chastotasini nazorat qilish va oshirish yo'llarini ko'rib chiqdi, masalan, granulalar in'ektsiyasi yoki juda kichik kattalikdagi qo'shimcha magnit maydonlar.

Unterberg jamoasi, ular kutganidek, volframning yuqori oqimning zarba nuqtasidan uzoqda bo'lishi yuqori energiya tarkibiga va har bir hodisa uchun sirt bilan aloqaga ega bo'lgan past chastotali ELMlarga ta'sir qilganda ifloslanish ehtimolini sezilarli darajada oshirishini aniqladi. Bundan tashqari, jamoa bu o'zgartiruvchi uzoq maqsadli hudud SOL ning ifloslanishiga ko'proq moyil ekanligini aniqladi, garchi u odatda zarba nuqtasiga qaraganda kamroq oqimga ega. Qarama-qarshi ko'rinadigan natijalar ushbu loyiha bilan bog'liq davom etayotgan yo'naltiruvchi modellashtirish harakatlari va DIII-D bo'yicha kelajakdagi tajribalar bilan tasdiqlanadi.

Ushbu loyihada Shimoliy Amerika boʻylab ekspertlar guruhi, jumladan Prinston plazma fizikasi laboratoriyasi, Lourens Livermor milliy laboratoriyasi, Sandia milliy laboratoriyalari, ORNL, General atomika, Auburn universiteti, San-Diegodagi Kaliforniya universiteti, Toronto universiteti, Tennessi universiteti - Noksvill va Viskonsin-Madison universiteti, chunki u plazma materiallari uchun muhim vosita bo'ldi. o'zaro ta'sirni o'rganish. DOE Fan Office (Fusion Energy Sciences) tadqiqotni qo'llab-quvvatladi.

Jamoa shu yil boshida jurnalda onlayn tadqiqot nashr etdiYadro sintezi.

Tadqiqot darhol Frantsiyaning Kadarache shahrida qurilayotgan Qo'shma Evropa Torus yoki JET va ITERga foyda keltirishi mumkin, ularning ikkalasi ham o'zgartirish uchun volfram zirhlaridan foydalanadi.

"Ammo biz ITER va JETdan tashqari narsalarni ko'rib chiqmoqdamiz - biz kelajakdagi termoyadroviy reaktorlarga qaraymiz", dedi Unterberg. “Volframni qayerga qo'yish yaxshiroq va volframni qayerga qo'ymaslik kerak? Bizning yakuniy maqsadimiz termoyadroviy reaktorlarimiz kelganda ularni aqlli tarzda qurollantirishdir”.

Unterbergning ta'kidlashicha, boyitilgan izotop qoplamasini tajriba uchun foydali shaklga keltirishdan oldin ishlab chiqqan va sinovdan o'tkazgan ORNLning noyob Stabil izotoplar guruhi tadqiqotni amalga oshirishga imkon berdi. Uning so'zlariga ko'ra, bu izotop deyarli har bir izotopik ajratilgan elementlarning zaxirasini saqlaydigan ORNLdagi Milliy izotoplarni rivojlantirish markazidan boshqa joyda mavjud bo'lmaydi.

"ORNL ushbu turdagi tadqiqotlar uchun noyob tajribaga va alohida istaklarga ega", dedi Unterberg. "Bizda izotoplarni ishlab chiqish va ulardan butun dunyo bo'ylab turli xil ilovalarda har xil tadqiqotlarda foydalanish bo'yicha uzoq meros bor."

Bundan tashqari, ORNL US ITERni boshqaradi.

Keyinchalik, jamoa volframni turli shakldagi o'tkazgichlarga qo'yish yadroning ifloslanishiga qanday ta'sir qilishi mumkinligini ko'rib chiqadi. Turli xil divertor geometriyalari plazma-material o'zaro ta'sirining yadro plazmasiga ta'sirini minimallashtirishi mumkin, ular nazariyaga ko'ra. Divertorning eng yaxshi shaklini bilish - magnit bilan cheklangan plazma qurilmasi uchun zarur komponent - olimlarni hayotiy plazma reaktoriga bir qadam yaqinlashtiradi.

"Agar biz jamiyat sifatida atom energiyasi amalga oshishini istaymiz va keyingi bosqichga o'tmoqchi bo'lsak, - dedi Unterberg, - termoyadroviylik muqaddas bo'ladi."