De binnenkant van toekomstige kernfusie-energiereactoren zal een van de zwaarste omgevingen zijn die ooit op aarde zijn geproduceerd. Wat is sterk genoeg om de binnenkant van een fusiereactor te beschermen tegen door plasma geproduceerde warmtestromen, vergelijkbaar met spaceshuttles die de atmosfeer van de aarde binnenkomen?

Zeke Unterberg en zijn team van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy werken momenteel samen met de belangrijkste kandidaat:wolfraam, die het hoogste smeltpunt en de laagste dampdruk heeft van alle metalen in het periodiek systeem, evenals een zeer hoge treksterkte - eigenschappen die het geschikt maken om langdurig te worden misbruikt. Ze zijn gericht op het begrijpen hoe wolfraam zou werken in een fusiereactor, een apparaat dat lichte atomen verwarmt tot temperaturen die heter zijn dan de kern van de zon, zodat ze samensmelten en energie vrijgeven. Waterstofgas in een fusiereactor wordt omgezet in waterstofplasma - een toestand van materie die bestaat uit gedeeltelijk geïoniseerd gas - dat vervolgens in een klein gebied wordt opgesloten door sterke magnetische velden of lasers.

"Je wilt niet iets in je reactor stoppen dat maar een paar dagen meegaat, " zei Unterberg, een senior onderzoeker in de Fusion Energy Division van ORNL. "Je wilt voldoende levensduur hebben. We plaatsen wolfraam in gebieden waar we verwachten dat er zeer hoge plasmabombardementen zullen zijn."

in 2016, Unterberg en het team begonnen experimenten uit te voeren in de tokamak, een fusiereactor die magnetische velden gebruikt om een ​​ring van plasma te bevatten, bij de DIII-D National Fusion Facility, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit in San Diego. Ze wilden weten of wolfraam kon worden gebruikt om de vacuümkamer van de tokamak te bewapenen - om het te beschermen tegen snelle vernietiging veroorzaakt door de effecten van plasma - zonder het plasma zelf zwaar te vervuilen. Deze besmetting, indien niet voldoende beheerd, zou uiteindelijk de fusiereactie kunnen doven.

"We probeerden te bepalen welke gebieden in de kamer bijzonder slecht zouden zijn:waar het wolfraam het meest waarschijnlijk onzuiverheden zou genereren die het plasma kunnen verontreinigen, ', aldus Unterberg.

Om dat te vinden, gebruikten de onderzoekers een verrijkte isotoop van wolfraam, W-182, samen met de ongewijzigde isotoop, om de erosie op te sporen, transport en herafzetting van wolfraam vanuit de divertor. Door te kijken naar de beweging van wolfraam in de divertor - een gebied in de vacuümkamer dat is ontworpen om plasma en onzuiverheden om te leiden - kregen ze een duidelijker beeld van hoe het erodeert van oppervlakken in de tokamak en interageert met het plasma. De verrijkte wolfraamisotoop heeft dezelfde fysische en chemische eigenschappen als gewone wolfraam. De experimenten bij DIII-D gebruikten kleine metalen inzetstukken die waren gecoat met de verrijkte isotoop die dicht bij, maar niet bij, de hoogste warmtefluxzone, een gebied in het vaartuig dat gewoonlijk het verre doelgebied van de divertor wordt genoemd. Afzonderlijk, in een divertorgebied met de hoogste fluxen, het slagpunt, onderzoekers gebruikten inserts met de ongewijzigde isotoop. De rest van de DIII-D-kamer is gepantserd met grafiet.

Dankzij deze opstelling konden de onderzoekers monsters verzamelen op speciale sondes die tijdelijk in de kamer werden geplaatst voor het meten van de onzuiverheidsstroom van en naar het pantser van het vat, wat hen een nauwkeuriger idee zou kunnen geven van waar het wolfraam dat van de divertor in de kamer was gelekt, was ontstaan.

"Het gebruik van de verrijkte isotoop gaf ons een unieke vingerafdruk, ', aldus Unterberg.

Het was het eerste experiment dat in een fusie-apparaat werd uitgevoerd. Een doel was om de beste materialen en locatie voor deze materialen voor kamerbepantsering te bepalen, terwijl onzuiverheden veroorzaakt door interacties tussen plasma en materiaal grotendeels in de divertor blijven en het magneet-begrensde kernplasma dat wordt gebruikt om fusie te produceren, niet verontreinigen.

Een complicatie bij het ontwerp en de werking van divertors is verontreiniging door onzuiverheden in het plasma veroorzaakt door randgelokaliseerde modi, of ELM's. Sommige van deze snelle, energieke evenementen, vergelijkbaar met zonnevlammen, kan onderdelen van het vat, zoals divertorplaten, beschadigen of vernielen. De frequentie van de ELM's, de tijden per seconde dat deze gebeurtenissen plaatsvinden, is een indicator van de hoeveelheid energie die vrijkomt uit het plasma naar de wand. Hoogfrequente ELM's kunnen kleine hoeveelheden plasma per uitbarsting afgeven, maar als de ELM's minder frequent zijn, het plasma en de energie die vrijkomt per uitbarsting is hoog, met een grotere kans op schade. Recent onderzoek heeft gekeken naar manieren om de frequentie van ELM's te beheersen en te verhogen, zoals met pelletinjectie of extra magnetische velden bij zeer kleine magnitudes.

Unterbergs team vond, zoals ze verwachtten, dat het hebben van het wolfraam ver van het high-flux strike-point de kans op besmetting aanzienlijk verhoogde bij blootstelling aan laagfrequente ELM's met een hogere energie-inhoud en oppervlaktecontact per gebeurtenis. Aanvullend, het team ontdekte dat dit verre doelgebied van de divertor meer vatbaar was voor verontreiniging van de SOL, hoewel het over het algemeen lagere fluxen heeft dan het strike-point. Deze ogenschijnlijk contra-intuïtieve resultaten worden bevestigd door de voortdurende inspanningen voor het modelleren van divertors met betrekking tot dit project en toekomstige experimenten met DIII-D.

Bij dit project was een team van experts uit heel Noord-Amerika betrokken, waaronder medewerkers van het Princeton Plasma Physics Laboratory, Lawrence Livermore Nationaal Laboratorium, Sandia Nationale Laboratoria, ORNL, Algemene Atoomkunde, kastanjebruine universiteit, de Universiteit van Californië in San Diego, de Universiteit van Toronto, de Universiteit van Tennessee-Knoxville, en de Universiteit van Wisconsin-Madison, omdat het een belangrijk hulpmiddel was voor onderzoek naar interactie tussen plasma en materiaal. DOE's Office of Science (Fusion Energy Sciences) heeft het onderzoek ondersteund.

Het team publiceerde eerder dit jaar online onderzoek in het tijdschrift Kernfusie .

Het onderzoek zou onmiddellijk ten goede kunnen komen aan de Joint European Torus, of JET, en ITER, nu in aanbouw in Cadarache, Frankrijk, die beide gebruik maken van wolfraampantser voor de divertor.

"Maar we kijken naar dingen die verder gaan dan ITER en JET - we kijken naar de fusiereactoren van de toekomst, " zei Unterberg. "Waar kan ik wolfraam het beste plaatsen, en waar moet je geen wolfraam plaatsen? Ons uiteindelijke doel is om onze fusiereactoren te bewapenen, wanneer ze komen, op een slimme manier."

Unterberg zei ORNL's unieke Stable Isotopes Group, die de verrijkte isotoopcoating heeft ontwikkeld en getest voordat deze in een voor het experiment bruikbare vorm werd gebracht, maakte het onderzoek mogelijk. Die isotoop zou nergens anders verkrijgbaar zijn geweest dan bij het National Isotope Development Centre in ORNL, die een voorraad van bijna elk element isotopisch gescheiden houdt, hij zei.

"ORNL heeft unieke expertise en specifieke wensen voor dit soort onderzoek, " Unterberg zei. "We hebben een lange traditie in het ontwikkelen van isotopen en het gebruik ervan in allerlei soorten onderzoek in verschillende toepassingen over de hele wereld."

In aanvulling, ORNL beheert US ITER.

Volgende, het team zal bekijken hoe het plaatsen van wolfraam in verschillend gevormde divertors de vervuiling van de kern kan beïnvloeden. Verschillende divertorgeometrieën kunnen de effecten van plasma-materiaalinteracties op het kernplasma minimaliseren, ze hebben getheoretiseerd. Het kennen van de beste vorm voor een divertor - een noodzakelijk onderdeel voor een magnetisch beperkt plasmaapparaat - zou wetenschappers een stap dichter bij een levensvatbare plasmareactor brengen.

"Als wij, als samenleving, zeggen dat we willen dat er kernenergie komt, en we willen naar de volgende fase gaan, "Unterberg zei, "fusie zou de heilige graal zijn."