Tungsten isotop hjælper med at studere, hvordan man panser fremtidige fusionsreaktorer

Indersiden af ​​fremtidige atomfusionsenergireaktorer vil være blandt de hårdeste miljøer, der nogensinde er produceret på Jorden. Hvad er stærkt nok til at beskytte indersiden af ​​en fusionsreaktor mod plasmaproducerede varmestrømme, der ligner rumfærger, der kommer ind i Jordens atmosfære igen?

Zeke Unterberg og hans team ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory arbejder i øjeblikket med den førende kandidat:wolfram, som har det højeste smeltepunkt og laveste damptryk af alle metaller i det periodiske system, samt meget høj trækstyrke – egenskaber, der gør den velegnet til at blive udsat for misbrug i længere perioder. De er fokuseret på at forstå, hvordan wolfram ville fungere inde i en fusionsreaktor, en enhed, der opvarmer lette atomer til temperaturer, der er varmere end solens kerne, så de smelter sammen og frigiver energi. Brintgas i en fusionsreaktor omdannes til brintplasma - en stoftilstand, der består af delvist ioniseret gas - som derefter er begrænset i et lille område af stærke magnetfelter eller lasere.

"Du ønsker ikke at sætte noget i din reaktor, der kun varer et par dage, sagde Unterberg, seniorforsker i ORNL's Fusion Energy Division. "Du vil have tilstrækkelig levetid. Vi anbringer wolfram i områder, hvor vi forventer, at der vil være meget høje plasmabombardementer."

I 2016, Unterberg og holdet begyndte at udføre eksperimenter i tokamak, en fusionsreaktor, der bruger magnetiske felter til at indeholde en ring af plasma, på DIII-D National Fusion Facility, en DOE Office of Science brugerfacilitet i San Diego. De ønskede at vide, om wolfram kunne bruges til at pansere tokamakens vakuumkammer – beskytte det mod hurtig ødelæggelse forårsaget af plasmapåvirkningerne – uden at forurene selve plasmaet kraftigt. Denne forurening, hvis det ikke forvaltes tilstrækkeligt, kunne i sidste ende slukke fusionsreaktionen.

"Vi forsøgte at bestemme, hvilke områder i kammeret der ville være særligt slemme:hvor wolfram var mest tilbøjelige til at generere urenheder, der kan forurene plasmaet, " sagde Unterberg.

For at finde det, forskerne brugte en beriget isotop af wolfram, W-182, sammen med den umodificerede isotop, at spore erosionen, transport og genafsætning af wolfram inde fra omlederen. At se på bevægelsen af ​​wolfram inde i aflederen - et område i vakuumkammeret designet til at aflede plasma og urenheder - gav dem et klarere billede af, hvordan det eroderer fra overflader i tokamak og interagerer med plasmaet. Den berigede wolframisotop har de samme fysiske og kemiske egenskaber som almindelig wolfram. Forsøgene på DIII-D brugte små metalindsatser belagt med den berigede isotop placeret tæt på, men ikke kl. den højeste varmefluxzone, et område i fartøjet, der typisk kaldes divertor far-target region. Separat, i et omlederområde med de højeste fluxer, stregpunktet, forskere brugte indsatser med den umodificerede isotop. Resten af ​​DIII-D kammeret er pansret med grafit.

Denne opsætning gjorde det muligt for forskerne at indsamle prøver på specielle sonder midlertidigt indsat i kammeret til måling af urenhedsflow til og fra fartøjets panser, hvilket kunne give dem en mere præcis idé om, hvor den wolfram, der var sivet væk fra aflederen ind i kammeret, stammer fra.

"Ved at bruge den berigede isotop gav os et unikt fingeraftryk, " sagde Unterberg.

Det var det første sådant eksperiment udført i en fusionsenhed. Et mål var at bestemme de bedste materialer og placering for disse materialer til kammerpansring, samtidig med at urenheder forårsaget af plasma-materiale-interaktioner i vid udstrækning holdes indeholdt i omlederen og ikke forurener det magnetbundne kerneplasma, der bruges til at producere fusion.

En komplikation med udformningen og driften af ​​omledere er urenhedsforurening i plasmaet forårsaget af kantlokaliserede tilstande, eller ELM'er. Nogle af disse hurtige, højenergibegivenheder, beslægtet med soludbrud, kan beskadige eller ødelægge fartøjskomponenter såsom afledningsplader. Hyppigheden af ​​ELM'er, de gange i sekundet disse hændelser opstår, er en indikator for mængden af ​​energi, der frigives fra plasmaet til væggen. Højfrekvente ELM'er kan frigive lave mængder plasma pr. udbrud, men hvis ELM'erne er mindre hyppige, plasma og energi frigivet pr. udbrud er høj, med større sandsynlighed for skade. Nyere forskning har set på måder at kontrollere og øge frekvensen af ​​ELM'er, såsom med pelletinjektion eller yderligere magnetfelter i meget små størrelser.

Unterbergs team fandt, som de forventede, at det at have wolfram langt fra højflux-angrebspunktet i høj grad øgede sandsynligheden for forurening, når de blev udsat for lavfrekvente ELM'er, der har højere energiindhold og overfladekontakt pr. hændelse. Derudover holdet fandt ud af, at denne fjerntliggende region var mere tilbøjelig til at forurene SOL, selvom den generelt har lavere fluxer end strejkepunktet. Disse tilsyneladende kontraintuitive resultater bekræftes af igangværende divertormodelleringsbestræbelser i forhold til dette projekt og fremtidige eksperimenter på DIII-D.

Dette projekt involverede et team af eksperter fra hele Nordamerika, herunder samarbejdspartnere fra Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Sandia National Laboratories, ORNL, General Atomics, Auburn University, University of California i San Diego, University of Toronto, University of Tennessee—Knoxville, og University of Wisconsin-Madison, da det gav et væsentligt værktøj til plasma-materiale interaktionsforskning. DOE's Office of Science (Fusion Energy Sciences) ydede støtte til undersøgelsen.

Holdet offentliggjorde forskning online tidligere på året i tidsskriftet Kernefusion .

Forskningen kunne umiddelbart gavne Joint European Torus, eller JET, og ITER, nu under opførelse i Cadarache, Frankrig, som begge bruger tungsten panser til divertor.

"Men vi ser på ting ud over ITER og JET - vi ser på fremtidens fusionsreaktorer, " sagde Unterberg. "Hvor er det bedst at sætte wolfram, og hvor skal du ikke lægge wolfram? Vores ultimative mål er at pansere vores fusionsreaktorer, når de kommer, på en smart måde."

Unterberg sagde ORNLs unikke stabile isotopergruppe, som udviklede og testede den berigede isotopbelægning, før den blev sat i en form, der var nyttig til eksperimentet, gjort forskningen mulig. Den isotop ville ikke have været tilgængelig andre steder end fra det nationale isotopudviklingscenter på ORNL, som opretholder et lager af næsten alle grundstoffer isotopisk adskilt, han sagde.

"ORNL har unik ekspertise og særlige ønsker til denne type forskning, "Unterberg sagde. "Vi har en lang arv af at udvikle isotoper og bruge dem i alle former for forskning i forskellige applikationer rundt om i verden."

Ud over, ORNL administrerer US ITER.

Næste, holdet vil se på, hvordan det kan påvirke forurening af kernen at sætte wolfram i forskelligt formede omledere. Forskellige omledergeometrier kunne minimere virkningerne af plasma-materiale-interaktioner på kerneplasmaet, de har teoretiseret. At kende den bedste form for en divertor - en nødvendig komponent til en magnetisk begrænset plasmaenhed - ville bringe videnskabsmænd et skridt tættere på en levedygtig plasmareaktor.

"Hvis vi, som samfund, sige, at vi ønsker, at atomenergi skal ske, og vi ønsker at gå videre til næste fase, Unterberg sagde, "fusion ville være den hellige gral."