Vad är sambandet mellan bor, ett grundämne i en vanlig hushållsrengöring, och tokamaks, ringformade fusionsanläggningar som värmer bränsle till miljongraders temperaturer? Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har genomfört forskning som visar att en PPPL-utvecklad pulverdroppare framgångsrikt kan släppa bort borpulver i högtemperaturplasma i tokamaks som har delar gjorda av ett värmebeständigt material känd som volfram. Forskare vill bekräfta att de kan använda denna process för att applicera bor på volframdelar eftersom nakna volframväggar kan skada plasmaprestandan om plasman skadar volframet.

På grund av sin höga smältpunkt används volfram alltmer i tokamaks för att hjälpa komponenter att motstå den intensiva värmen från fusionsprocessen. Bor skyddar delvis volframet från plasman och förhindrar volframet från att läcka in i plasman; det absorberar också alla herrelösa element som syre som kan finnas i plasman från andra källor. Dessa oönskade föroreningar kan kyla plasman och dämpa fusionsreaktionerna.

"Vi behöver ett sätt att deponera borbeläggningar utan att stänga av tokamakernas magnetfält, och det är vad pulverdropparen tillåter oss att göra", säger Grant Bodner, en postdoktor vid PPPL som var huvudförfattare till forskningsuppsatsen som rapporterade resulterar i Nuclear Fusion . Forskningen utfördes med hjälp av W Environment i Steady-State Tokamak (WEST), som drivs av Frankrikes atomenergikommission (CEA). "WEST är en av de få fullvolframmiljöer som kan hjälpa oss att testa den här tekniken med långa pulser," sa Bodner.

En annan anledning till att fysikerna utförde sina experiment med WEST är att dess magneter är gjorda av supraledande material som kommer att finnas i magneter inuti framtida fusionsenheter. Detta material leder elektricitet med lite eller inget motstånd och producerar lite överskottsvärme så att magneterna kan fungera utan att stanna under långa tidsperioder, vilket framtida fusionsreaktorer kommer att behöva göra. Magneterna skapar krafterna som hindrar plasman så att den kan smälta samman.

Fusion, kraften som driver solen och stjärnorna, kombinerar lätta element i form av plasma - det varma, laddade tillståndet av materia som består av fria elektroner och atomkärnor - som genererar enorma mängder energi. Forskare försöker replikera fusion på jorden för en praktiskt taget outtömlig tillgång på kraft för att generera elektricitet.

Forskare behöver ett sätt att fylla på borbeläggningarna medan maskinerna är i drift eftersom framtida fusionsanläggningar inte kommer att kunna stängas av ofta för ombeläggning. "Att släppa bor i en tokamak medan den är i drift är som att städa din lägenhet samtidigt som du gör alla andra saker som du brukar göra i den", säger CEA-forskaren Alberto Gallo, som bidragit till forskningen. "Det är väldigt användbart – det betyder att du inte behöver ta extra tid från dina vanliga aktiviteter för att städa", sa han.

Pulverdroppanordningen är monterad på toppen av tokamak och använder exakta ställdon för att flytta pulverformigt material från sina reservoarer till tokamakens vakuumkammare. Denna mekanism gör det möjligt för forskare att exakt ställa in hastigheten och varaktigheten för pulverdropparna, som i andra fusionsanläggningar kan inkludera andra prestandahöjande material som litium. "På grund av den flexibiliteten har dropparen potential att vara riktigt användbar i framtiden," sa Bodner.

Forskarna blev förvånade över att finna att bor som lagts ner av dropparen gjorde mer än att konditionera de inre volframytorna. "Vi såg att när vi tappade i pulvret ökade plasmainneslutningen, vilket betyder att den behåller mer av sin värme, vilket underlättar fusionsprocessen," sa Bodner.

Den ökade inneslutningen var särskilt användbar eftersom den inträffade utan att plasman gick in i ett tillstånd som kallas H-läge (hög inneslutningsläge), där inneslutningen förbättras men plasman är mer benägen att bryta ut med så kallade kantlokaliserade lägen, eller ELM. Dessa ELM:er flyttar värme ut ur plasman, minskar effektiviteten hos fusionsreaktionerna och skadar ibland interna komponenter. "Om vi ​​kan använda dropparen för att få den goda inneslutningen av H-läge utan att faktiskt gå in i H-läge och riskera ELM, skulle det vara bra för fusionsreaktorer," sa Bodner.

I framtiden vill forskarna testa att använda pipetten endast när det är nödvändigt för att upprätthålla god plasmaprestanda. "Att lägga till några extra föroreningar, även bor, kan minska hur mycket fusionskraft du får eftersom plasman blir mindre ren," sa Bodner. "Därför måste vi försöka använda den minsta mängden bor som fortfarande kan ge de effekter vi vill ha."

Kommande experiment kommer att fokusera på hur mycket bor som faktiskt täcker volframytorna. "Vi vill mäta dessa belopp så att vi verkligen kan kvantifiera vad vi gör och förlänga dessa resultat i framtiden," sa Bodner. + Utforska vidare

Pulver, inte gas:Ett säkrare och effektivare sätt att skapa en stjärna på jorden