Grundforskning:Forskere anvender bor på wolframkomponenter i fusionsfaciliteter

Hvad er forbindelsen mellem bor, et grundstof i et almindeligt rengøringsmiddel, og tokamaks, ringformede fusionsanlæg, der opvarmer brændstof til millioner graders temperaturer? Forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har udført forskning, der viser, at en PPPL-udviklet pulverdråber med succes kan droppe borpulver i højtemperaturplasma i tokamaks, der har dele lavet af et varmebestandigt materiale kendt som wolfram. Forskere ønsker at bekræfte, at de kan bruge denne proces til at påføre bor på wolframdele, fordi bare wolframvægge kan skade plasmaydeevnen, hvis plasmaet beskadiger wolframen.

På grund af det høje smeltepunkt bruges wolfram i stigende grad i tokamaks for at hjælpe komponenter med at modstå den intense varme fra fusionsprocessen. Bor beskytter til dels wolframen fra plasmaet og forhindrer wolframen i at lække ind i plasmaet; det absorberer også eventuelle omstrejfende elementer som ilt, der kan være i plasmaet fra andre kilder. Disse uønskede urenheder kunne afkøle plasmaet og standse fusionsreaktionerne.

"Vi har brug for en måde at afsætte borbelægninger på uden at slukke for tokamakkernes magnetfelt, og det er, hvad pulverdråberen tillader os at gøre," sagde Grant Bodner, en postdoc-forsker ved PPPL, som var hovedforfatter af forskningspapiret, der rapporterer resulterer i Nuklear Fusion . Forskningen blev udført ved hjælp af W Environment i Steady-State Tokamak (WEST), drevet af Frankrigs Atomic Energy Commission (CEA). "WEST er et af de få fuld-wolfram miljøer, der kan hjælpe os med at teste denne teknologi med lange pulser," sagde Bodner.

En anden grund til, at fysikerne udførte deres eksperimenter ved hjælp af WEST, er, at dens magneter er lavet af superledende materiale, der vil indgå i magneter inde i fremtidige fusionsenheder. Dette materiale leder elektricitet med lille eller ingen modstand og producerer lidt overskudsvarme, så magneterne kan fungere uden at stoppe i lange perioder, som fremtidige fusionsreaktorer bliver nødt til at gøre. Magneterne skaber de kræfter, der begrænser plasmaet, så det kan gennemgå fusion.

Fusion, den kraft, der driver solen og stjernerne, kombinerer lette elementer i form af plasma - den varme, ladede tilstand af stof bestående af frie elektroner og atomkerner - der genererer enorme mængder energi. Forskere søger at kopiere fusion på Jorden til en praktisk talt uudtømmelig strømforsyning til at generere elektricitet.

Forskere har brug for en måde at genopbygge borbelægningerne på, mens maskinerne er i drift, fordi fremtidige fusionsfaciliteter ikke vil være i stand til at lukke ofte ned for genbelægning. "At droppe bor i en tokamak, mens den er i drift, er som at rense din lejlighed, mens du gør alle de andre ting, du plejer at gøre i den," sagde CEA-forsker Alberto Gallo, der har bidraget til forskningen. "Det er meget nyttigt - det betyder, at du ikke behøver at bruge ekstra tid på dine sædvanlige aktiviteter for at gøre rengøringen," sagde han.

Pulverdroppeanordningen er monteret på toppen af ​​tokamak og bruger præcise aktuatorer til at flytte pulveriseret materiale fra deres reservoirer til tokamak's vakuumkammer. Denne mekanisme giver forskere mulighed for præcist at indstille hastigheden og varigheden af ​​pulverdråberne, som i andre fusionsfaciliteter kan omfatte andre præstationsfremmende materialer som lithium. "På grund af den fleksibilitet har dropperen potentialet til at være virkelig nyttig i fremtiden," sagde Bodner.

Forskerne var overraskede over at finde ud af, at det bor, der blev lagt ned af dråbeholderen, gjorde mere end at konditionere de indre wolframoverflader. "Vi så, at da vi faldt i pulveret, steg plasmaindeslutningen, hvilket betyder, at den bevarer mere af sin varme, hvilket hjælper fusionsprocessen," sagde Bodner.

Den øgede indeslutning var især nyttig, fordi den skete, uden at plasmaet gik ind i en tilstand kendt som H-mode (høj indeslutningstilstand), hvor indeslutningen forbedres, men plasmaet er mere tilbøjeligt til at bryde ud med det, der er kendt som kantlokaliserede tilstande, eller ELM'er. Disse ELM'er flytter varme ud af plasmaet, hvilket reducerer effektiviteten af ​​fusionsreaktionerne og beskadiger nogle gange interne komponenter. "Hvis vi kan bruge dropperen til at få den gode indeslutning af H-tilstand uden faktisk at gå ind i H-tilstand og risikere ELM'er, ville det være fantastisk til fusionsreaktorer," sagde Bodner.

I fremtiden ønsker forskerne kun at teste at bruge dråberen, når det er nødvendigt for at opretholde en god plasmaydelse. "Tilsætning af ekstra urenheder, selv bor, kan reducere hvor meget fusionskraft du får, fordi plasmaet bliver mindre rent," sagde Bodner. "Derfor er vi nødt til at forsøge at bruge den mindste mængde bor, der stadig kan give de effekter, vi ønsker."

Kommende eksperimenter vil fokusere på, hvor meget bor faktisk dækker wolframoverfladerne. "Vi ønsker at måle disse beløb, så vi virkelig kan kvantificere, hvad vi laver og udvide disse resultater i fremtiden," sagde Bodner. + Udforsk yderligere

Pulver, ikke gas:En sikrere og mere effektiv måde at skabe en stjerne på Jorden