Wat is het verband tussen boor, een element in een gewone huishoudreiniger, en tokamaks, ringvormige fusie-installaties die brandstof verhitten tot een temperatuur van miljoenen graden? Wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben onderzoek gedaan waaruit blijkt dat een door PPPL ontwikkelde poederdruppelaar met succes boorpoeder kan laten vallen in plasma op hoge temperatuur in tokamaks waarvan de onderdelen zijn gemaakt van hittebestendig materiaal bekend als wolfraam. Wetenschappers willen bevestigen dat ze dit proces kunnen gebruiken om boor op wolfraamonderdelen aan te brengen, omdat kale wolfraamwanden de plasmaprestaties kunnen schaden als het plasma het wolfraam beschadigt.

Vanwege het hoge smeltpunt wordt wolfraam steeds vaker gebruikt in tokamaks om componenten te helpen de intense hitte van het fusieproces te weerstaan. Borium schermt het wolfraam gedeeltelijk af van het plasma en voorkomt dat het wolfraam in het plasma lekt; het absorbeert ook alle verdwaalde elementen zoals zuurstof die zich mogelijk in het plasma van andere bronnen bevinden. Deze ongewenste onzuiverheden kunnen het plasma afkoelen en de fusiereacties blussen.

"We hebben een manier nodig om boorcoatings af te zetten zonder het magnetische veld van de tokamaks uit te schakelen, en dat is wat de poederdruppelaar ons in staat stelt te doen", zegt Grant Bodner, een postdoctoraal onderzoeker bij PPPL, die de hoofdauteur was van het onderzoekspaper dat rapporteerde over de resulteert in Kernfusie . Het onderzoek is uitgevoerd met behulp van de W Environment in Steady-State Tokamak (WEST), beheerd door de Franse Atomic Energy Commission (CEA). "WEST is een van de weinige omgevingen van volledig wolfraam die ons kan helpen deze technologie met lange pulsen te testen," zei Bodner.

Een andere reden waarom de natuurkundigen hun experimenten met WEST hebben uitgevoerd, is dat de magneten zijn gemaakt van supergeleidend materiaal dat zal worden gebruikt in magneten in toekomstige fusie-apparaten. Dit materiaal geleidt elektriciteit met weinig of geen weerstand en produceert weinig overtollige warmte, zodat de magneten kunnen werken zonder lange tijd te stoppen, zoals toekomstige fusiereactoren zullen moeten doen. De magneten creëren de krachten die het plasma tegenhouden zodat het kan fuseren.

Fusie, de kracht die de zon en de sterren aandrijft, combineert lichte elementen in de vorm van plasma - de hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen - die enorme hoeveelheden energie genereert. Wetenschappers proberen fusie op aarde na te bootsen voor een vrijwel onuitputtelijke stroomvoorziening om elektriciteit op te wekken.

Wetenschappers hebben een manier nodig om de boorcoatings aan te vullen terwijl de machines in bedrijf zijn, omdat toekomstige fusiefaciliteiten niet vaak zullen kunnen worden stilgelegd om opnieuw te coaten. "Borium in een tokamak laten vallen terwijl deze in bedrijf is, is als het schoonmaken van je appartement terwijl je alle andere dingen doet die je er gewoonlijk in doet", zegt CEA-wetenschapper Alberto Gallo, die bijdroeg aan het onderzoek. "Het is erg handig - het betekent dat je geen extra tijd hoeft te besteden aan je gebruikelijke activiteiten om schoon te maken," zei hij.

Het poederdruppelapparaat is aan de bovenkant van de tokamak gemonteerd en maakt gebruik van precieze actuatoren om poedervormig materiaal van hun reservoirs naar de vacuümkamer van de tokamak te verplaatsen. Met dit mechanisme kunnen onderzoekers de snelheid en duur van de poederdruppels nauwkeurig instellen, die in andere fusiefaciliteiten andere prestatieverhogende materialen zoals lithium kunnen bevatten. "Vanwege die flexibiliteit heeft de druppelaar het potentieel om in de toekomst echt nuttig te zijn," zei Bodner.

De onderzoekers waren verrast toen ze ontdekten dat het door de druppelaar neergelegde boor meer deed dan de binnenste wolfraamoppervlakken conditioneerden. "We zagen dat toen we het poeder lieten vallen, de plasma-opsluiting toenam, wat betekent dat het meer van zijn warmte vasthoudt, wat het fusieproces bevordert," zei Bodner.

De verhoogde opsluiting was vooral nuttig omdat deze plaatsvond zonder dat het plasma in een toestand kwam die bekend staat als H-modus (hoge opsluitingsmodus), waarin de opsluiting verbetert, maar het plasma meer kans heeft om uit te barsten met wat bekend staat als edge-gelokaliseerde modi, of ELM's. Deze ELM's verplaatsen warmte uit het plasma, waardoor de efficiëntie van de fusiereacties wordt verminderd en soms interne componenten worden beschadigd. "Als we de druppelaar kunnen gebruiken om de goede opsluiting van de H-modus te krijgen zonder daadwerkelijk de H-modus in te gaan en ELM's te riskeren, zou dat geweldig zijn voor fusiereactoren," zei Bodner.

In de toekomst willen de onderzoekers alleen testen met de druppelaar als dat nodig is om goede plasmaprestaties te behouden. "Het toevoegen van extra onzuiverheden, zelfs boor, kan de hoeveelheid fusiekracht die je krijgt verminderen omdat het plasma minder zuiver wordt," zei Bodner. "Daarom moeten we proberen de kleinste hoeveelheid boor te gebruiken die nog steeds de gewenste effecten kan produceren."

Komende experimenten zullen zich richten op hoeveel boor de wolfraamoppervlakken daadwerkelijk bedekt. "We willen deze hoeveelheden meten, zodat we echt kunnen kwantificeren wat we doen en deze resultaten in de toekomst kunnen uitbreiden", zei Bodner. + Verder verkennen

Poeder, geen gas:een veiligere, effectievere manier om een ​​ster op aarde te creëren