Bên trong các lò phản ứng năng lượng tổng hợp hạt nhân trong tương lai sẽ là một trong những môi trường khắc nghiệt nhất từng được tạo ra trên Trái đất. Điều gì đủ mạnh để bảo vệ bên trong lò phản ứng nhiệt hạch khỏi dòng nhiệt do plasma tạo ra giống như các tàu con thoi quay trở lại bầu khí quyển Trái đất?

Các nhà nghiên cứu ORNL đã sử dụng vonfram tự nhiên (màu vàng) và vonfram đã được làm giàu (màu cam) để theo dõi quá trình xói mòn, vận chuyển và tái lắng đọng vonfram. Vonfram là lựa chọn hàng đầu để bọc bên trong thiết bị nhiệt hạch.

Zeke Unterberg và nhóm của ông tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng hiện đang làm việc với ứng cử viên hàng đầu: vonfram, chất có điểm nóng chảy cao nhất và áp suất hơi thấp nhất trong tất cả các kim loại trong bảng tuần hoàn, cũng như độ bền kéo rất cao— những đặc tính khiến nó rất phù hợp để bị lạm dụng trong thời gian dài. Họ tập trung vào việc tìm hiểu cách vonfram hoạt động bên trong lò phản ứng nhiệt hạch, một thiết bị làm nóng các nguyên tử nhẹ đến nhiệt độ nóng hơn lõi mặt trời để chúng hợp nhất và giải phóng năng lượng. Khí hydro trong lò phản ứng nhiệt hạch được chuyển thành plasma hydro – một trạng thái vật chất bao gồm khí bị ion hóa một phần – sau đó bị giới hạn trong một vùng nhỏ bởi từ trường hoặc tia laser mạnh.

Unterberg, một nhà khoa học nghiên cứu cấp cao thuộc Ban Năng lượng Nhiệt hạch của ORNL, cho biết: “Bạn không muốn đặt thứ gì đó chỉ tồn tại được vài ngày vào lò phản ứng của mình. “Bạn muốn có đủ tuổi thọ. Chúng tôi đưa vonfram vào những khu vực mà chúng tôi dự đoán sẽ có mức độ bắn phá plasma rất cao.”

Vào năm 2016, Unterberg và nhóm nghiên cứu bắt đầu tiến hành các thí nghiệm ở tokamak, một lò phản ứng nhiệt hạch sử dụng từ trường để chứa một vòng plasma, tại Cơ sở Hợp nhất Quốc gia DIII-D, cơ sở dành cho người dùng Văn phòng Khoa học DOE ở San Diego. Họ muốn biết liệu vonfram có thể được sử dụng để bọc buồng chân không của tokamak hay không – bảo vệ nó khỏi sự phá hủy nhanh chóng do tác động của plasma – mà không làm nhiễm bẩn plasma nặng nề. Sự ô nhiễm này, nếu không được quản lý đầy đủ, cuối cùng có thể dập tắt phản ứng nhiệt hạch.

Unterberg cho biết: “Chúng tôi đang cố gắng xác định khu vực nào trong buồng sẽ đặc biệt tồi tệ: nơi vonfram có nhiều khả năng tạo ra tạp chất nhất có thể làm ô nhiễm plasma”.

Để phát hiện ra điều đó, các nhà nghiên cứu đã sử dụng đồng vị vonfram đã được làm giàu, W-182, cùng với đồng vị chưa biến tính, để theo dõi quá trình xói mòn, vận chuyển và tái lắng đọng vonfram từ bên trong bộ chuyển hướng. Nhìn vào chuyển động của vonfram bên trong bộ chuyển hướng—một khu vực trong buồng chân không được thiết kế để chuyển hướng plasma và tạp chất—đã cho họ một bức tranh rõ ràng hơn về cách nó ăn mòn khỏi các bề mặt bên trong tokamak và tương tác với plasma. Đồng vị vonfram được làm giàu có các tính chất vật lý và hóa học tương tự như vonfram thông thường. Các thí nghiệm tại DIII-D đã sử dụng các miếng kim loại nhỏ được phủ đồng vị đã làm giàu được đặt gần, nhưng không phải ở vùng thông lượng nhiệt cao nhất, một khu vực trong tàu thường được gọi là vùng mục tiêu xa của bộ chuyển hướng. Riêng biệt, tại vùng chuyển hướng có thông lượng cao nhất, điểm tấn công, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các vật liệu chèn có đồng vị chưa biến đổi. Phần còn lại của buồng DIII-D được bọc bằng than chì.

Thiết lập này cho phép các nhà nghiên cứu thu thập mẫu trên các đầu dò đặc biệt được lắp tạm thời trong buồng để đo dòng tạp chất đến và đi từ vỏ giáp tàu, điều này có thể cho họ ý tưởng chính xác hơn về vị trí vonfram rò rỉ từ bộ chuyển hướng vào buồng. bắt nguồn.

Unterberg nói: “Việc sử dụng đồng vị được làm giàu đã mang lại cho chúng tôi một dấu vân tay độc nhất”.

Đây là thí nghiệm đầu tiên như vậy được tiến hành trong một thiết bị nhiệt hạch. Một mục tiêu là xác định các vật liệu và vị trí tốt nhất cho những vật liệu này để bọc thép trong buồng, đồng thời giữ các tạp chất gây ra bởi tương tác vật liệu-plasma phần lớn được chứa trong bộ chuyển hướng và không làm nhiễm bẩn plasma lõi giới hạn nam châm được sử dụng để tạo ra phản ứng tổng hợp.

Một vấn đề phức tạp với thiết kế và vận hành bộ chuyển hướng là ô nhiễm tạp chất trong plasma do các chế độ định vị cạnh hoặc ELM gây ra. Một số sự kiện có tốc độ nhanh, năng lượng cao này, giống như các ngọn lửa mặt trời, có thể làm hỏng hoặc phá hủy các bộ phận của tàu như tấm chuyển hướng. Tần số của ELM, số lần xảy ra trong mỗi giây, là một chỉ số về lượng năng lượng được giải phóng từ plasma tới tường. ELM tần số cao có thể giải phóng lượng plasma thấp trong mỗi lần phun trào, nhưng nếu ELM ít xảy ra hơn thì plasma và năng lượng được giải phóng trong mỗi lần phun trào sẽ cao và có khả năng gây thiệt hại cao hơn. Nghiên cứu gần đây đã xem xét các cách để kiểm soát và tăng tần số ELM, chẳng hạn như tiêm viên hoặc từ trường bổ sung ở cường độ rất nhỏ.

Nhóm của Unterberg đã phát hiện ra, đúng như họ mong đợi, rằng việc để vonfram ở xa điểm tấn công thông lượng cao sẽ làm tăng đáng kể khả năng nhiễm bẩn khi tiếp xúc với ELM tần số thấp có hàm lượng năng lượng và tiếp xúc bề mặt cao hơn trong mỗi sự kiện. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu còn phát hiện ra rằng vùng mục tiêu xa của bộ chuyển hướng này dễ bị nhiễm bẩn SOL hơn mặc dù nó thường có thông lượng thấp hơn điểm tấn công. Những kết quả có vẻ phản trực giác này đang được xác nhận bởi những nỗ lực lập mô hình chuyển hướng đang diễn ra liên quan đến dự án này và các thử nghiệm trong tương lai trên DIII-D.

Dự án này có sự tham gia của một nhóm chuyên gia từ khắp Bắc Mỹ, bao gồm các cộng tác viên từ Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton, Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore, Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia, ORNL, General Atomics, Đại học Auburn, Đại học California tại San Diego, Đại học Toronto, Đại học Tennessee—Knoxville và Đại học Wisconsin-Madison, vì nó cung cấp một công cụ quan trọng cho nghiên cứu tương tác vật liệu-plasma. Văn phòng Khoa học của DOE (Khoa học Năng lượng Hợp nhất) đã hỗ trợ cho nghiên cứu.

Nhóm đã công bố nghiên cứu trực tuyến vào đầu năm nay trên tạp chíPhản ứng tổng hợp hạt nhân.

Nghiên cứu này có thể ngay lập tức mang lại lợi ích cho Joint European Torus, hay JET, và ITER, hiện đang được xây dựng ở Cadarache, Pháp, cả hai đều sử dụng áo giáp vonfram cho bộ chuyển hướng.

“Nhưng chúng tôi đang xem xét những thứ ngoài ITER và JET—chúng tôi đang xem xét các lò phản ứng nhiệt hạch trong tương lai,” Unterberg nói. “Đặt vonfram ở đâu là tốt nhất và không nên đặt vonfram ở đâu? Mục tiêu cuối cùng của chúng tôi là bọc thép cho các lò phản ứng nhiệt hạch của chúng tôi, khi chúng xuất hiện, một cách thông minh.”

Unterberg cho biết Nhóm đồng vị ổn định độc đáo của ORNL, nhóm đã phát triển và thử nghiệm lớp phủ đồng vị được làm giàu trước khi đưa nó vào dạng hữu ích cho thí nghiệm, đã giúp nghiên cứu trở nên khả thi. Ông nói, đồng vị đó sẽ không có sẵn ở bất cứ đâu ngoài Trung tâm Phát triển Đồng vị Quốc gia tại ORNL, nơi duy trì một kho dự trữ hầu hết mọi nguyên tố được phân tách bằng đồng vị.

Unterberg cho biết: “ORNL có chuyên môn độc đáo và mong muốn đặc biệt đối với loại hình nghiên cứu này. “Chúng tôi có bề dày lịch sử trong việc phát triển các chất đồng vị và sử dụng chúng trong mọi loại nghiên cứu ở các ứng dụng khác nhau trên khắp thế giới.”

Ngoài ra, ORNL còn quản lý US ITER.

Tiếp theo, nhóm sẽ xem xét việc đưa vonfram vào các bộ chuyển hướng có hình dạng khác nhau có thể ảnh hưởng như thế nào đến sự ô nhiễm của lõi. Họ đưa ra giả thuyết rằng các dạng hình học chuyển hướng khác nhau có thể giảm thiểu tác động của tương tác vật chất-plasma lên plasma lõi. Việc biết được hình dạng tốt nhất của bộ chuyển hướng – một thành phần cần thiết cho thiết bị plasma giới hạn từ tính – sẽ đưa các nhà khoa học tiến một bước gần hơn đến lò phản ứng plasma khả thi.

Unterberg nói: “Nếu chúng ta, với tư cách là một xã hội, nói rằng chúng ta muốn năng lượng hạt nhân xảy ra và chúng ta muốn chuyển sang giai đoạn tiếp theo, thì phản ứng tổng hợp sẽ là chén thánh”.