Insidan av framtida kärnfusionsreaktorer kommer att vara bland de tuffaste miljöer som någonsin producerats på jorden. Vad är tillräckligt starkt för att skydda insidan av en fusionsreaktor från plasmaproducerade värmeflöden som liknar rymdfärjor som återvänder till jordens atmosfär?

Zeke Unterberg och hans team vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory arbetar för närvarande med den ledande kandidaten:volfram, som har den högsta smältpunkten och lägsta ångtrycket av alla metaller i det periodiska systemet, samt mycket hög draghållfasthet – egenskaper som gör den väl lämpad för att tåla missbruk under långa perioder. De är fokuserade på att förstå hur volfram skulle fungera inuti en fusionsreaktor, en enhet som värmer ljusatomer till temperaturer som är varmare än solens kärna så att de smälter ihop och släpper ut energi. Vätgas i en fusionsreaktor omvandlas till väteplasma - ett tillstånd av materia som består av delvis joniserad gas - som sedan begränsas i ett litet område av starka magnetfält eller lasrar.

"Du vill inte lägga något i din reaktor som bara varar ett par dagar, sa Unterberg, en senior forskare vid ORNL:s Fusion Energy Division. "Du vill ha tillräckligt med livslängd. Vi lägger volfram i områden där vi förväntar oss att det kommer att bli mycket högt plasmabombardement."

2016, Unterberg och teamet började utföra experiment i tokamak, en fusionsreaktor som använder magnetfält för att innehålla en ring av plasma, vid DIII-D National Fusion Facility, en DOE Office of Science-användaranläggning i San Diego. De ville veta om volfram kunde användas för att pansra tokamakens vakuumkammare – skydda den från snabb förstörelse orsakad av plasmaeffekterna – utan att kraftigt förorena själva plasman. Denna förorening, om den inte hanteras tillräckligt, kan i slutändan släcka fusionsreaktionen.

"Vi försökte avgöra vilka områden i kammaren som skulle vara särskilt dåliga:där volframet var mest sannolikt att generera föroreningar som kan förorena plasman, "Sa Unterberg.

För att hitta det, forskarna använde en berikad isotop av volfram, W-182, tillsammans med den oförändrade isotopen, att spåra erosionen, transport och återavsättning av volfram inifrån avledaren. Att titta på rörelsen av volfram inom avledaren - ett område i vakuumkammaren utformat för att avleda plasma och föroreningar - gav dem en tydligare bild av hur det eroderar från ytor i tokamak och interagerar med plasmat. Den berikade volframisotopen har samma fysikaliska och kemiska egenskaper som vanlig volfram. Experimenten vid DIII-D använde små metallinsatser belagda med den berikade isotopen placerad nära, men inte på, den högsta värmeflödeszonen, ett område i fartyget som vanligtvis kallas avledarens fjärrmålsregion. Separat, i en avledarregion med de högsta flödena, slagpunkten, forskare använde skär med den omodifierade isotopen. Resten av DIII-D-kammaren är bepansrad med grafit.

Denna inställning gjorde det möjligt för forskarna att samla in prover på speciella sonder tillfälligt införda i kammaren för att mäta föroreningsflödet till och från fartygets pansar, vilket skulle kunna ge dem en mer exakt uppfattning om var den volfram som hade läckt bort från avledaren in i kammaren hade sitt ursprung.

"Att använda den berikade isotopen gav oss ett unikt fingeravtryck, "Sa Unterberg.

Det var det första experimentet som utfördes i en fusionsanordning. Ett mål var att bestämma de bästa materialen och platsen för dessa material för kammarpansar, samtidigt som föroreningar som orsakats av plasma-materialinteraktioner till stor del hålls inneslutna till divertorn och inte förorenar den magnetbegränsade kärnplasma som används för att producera fusion.

En komplikation med konstruktionen och driften av avledare är föroreningar i plasman orsakad av kantlokaliserade lägen, eller ELM. Några av dessa snabbt, högenergievenemang, liknande solflammor, kan skada eller förstöra kärlkomponenter som avledarplattor. Frekvensen av ELM, de gånger per sekund dessa händelser inträffar, är en indikator på mängden energi som frigörs från plasman till väggen. Högfrekventa ELM kan frigöra små mängder plasma per utbrott, men om ELM är mindre frekventa, plasma och energi som frigörs per utbrott är hög, med större sannolikhet för skada. Ny forskning har tittat på sätt att kontrollera och öka frekvensen av ELM, såsom med pelletsinjektion eller ytterligare magnetfält vid mycket små storlekar.

Unterbergs team hittade, som de förväntade sig, att ha volframet långt från högflödesstötpunkten avsevärt ökade sannolikheten för kontaminering när den exponerades för lågfrekventa ELM som har högre energiinnehåll och ytkontakt per händelse. Dessutom, teamet fann att denna avledar-fjärrmålsregion var mer benägen att kontaminera SOL även om den i allmänhet har lägre flöden än strejkpunkten. Dessa till synes kontraintuitiva resultat bekräftas av pågående avledningsmodelleringsansträngningar i samband med detta projekt och framtida experiment på DIII-D.

Detta projekt involverade ett team av experter från hela Nordamerika, inklusive medarbetare från 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, och University of Wisconsin-Madison, eftersom det gav ett betydelsefullt verktyg för plasma-material interaktionsforskning. DOE:s Office of Science (Fusion Energy Sciences) gav stöd till studien.

Teamet publicerade forskning online i år i tidningen Kärnfusion .

Forskningen kan omedelbart gynna Joint European Torus, eller JET, och ITER, nu under uppbyggnad i Cadarache, Frankrike, båda använder volframpansar för avledaren.

"Men vi tittar på saker bortom ITER och JET - vi tittar på framtidens fusionsreaktorer, " sa Unterberg. "Var är det bäst att lägga volfram, och var ska man inte lägga volfram? Vårt yttersta mål är att rusta våra fusionsreaktorer, när de kommer, på ett smart sätt. "

Unterberg sa att ORNL:s unika stabila isotopergrupp, som utvecklade och testade den berikade isotopbeläggningen innan den placerades i en form som var användbar för experimentet, gjort forskningen möjlig. Den isotopen skulle inte ha varit tillgänglig någonstans förutom från National Isotope Development Center på ORNL, som upprätthåller ett lager av nästan varje element isotopiskt separerade, han sa.

"ORNL har unik expertis och speciella önskemål för denna typ av forskning, "Vi har ett långt arv av att utveckla isotoper och använda dem i all slags forskning i olika tillämpningar runt om i världen."

Dessutom, ORNL förvaltar US ITER.

Nästa, teamet kommer att titta på hur insättning av volfram i olika formade avledare kan påverka förorening av kärnan. Olika avledargeometrier kan minimera effekterna av plasmamaterialinteraktioner på kärnplasma, de har teoretiserat. Att veta den bästa formen för en avledare-en nödvändig komponent för en magnetisk begränsad plasmaenhet-skulle sätta forskare ett steg närmare en livskraftig plasmareaktor.

"Om vi, som ett samhälle, säga att vi vill att kärnenergi ska hända, och vi vill gå till nästa steg, Unterberg sa, "fusion skulle vara den heliga graal."