El interior de los futuros reactores de energía de fusión nuclear estará entre los entornos más duros jamás producidos en la Tierra. ¿Qué es lo suficientemente fuerte como para proteger el interior de un reactor de fusión de los flujos de calor producidos por plasma similares a los transbordadores espaciales que vuelven a entrar en la atmósfera de la Tierra?

Zeke Unterberg y su equipo en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía están trabajando actualmente con el candidato principal:tungsteno, que tiene el punto de fusión más alto y la presión de vapor más baja de todos los metales en la tabla periódica, así como una muy alta resistencia a la tracción, propiedades que lo hacen adecuado para soportar el abuso durante largos períodos de tiempo. Están enfocados en comprender cómo funcionaría el tungsteno dentro de un reactor de fusión, un dispositivo que calienta átomos ligeros a temperaturas más calientes que el núcleo del sol para que se fusionen y liberen energía. El gas hidrógeno en un reactor de fusión se convierte en plasma de hidrógeno, un estado de la materia que consiste en gas parcialmente ionizado, que luego se confina en una pequeña región por fuertes campos magnéticos o láseres.

"No querrás poner algo en tu reactor que solo dure un par de días, "dijo Unterberg, un científico investigador senior en la División de Energía de Fusión de ORNL. "Quieres tener suficiente vida útil. Colocamos tungsteno en áreas donde anticipamos que habrá un bombardeo de plasma muy alto".

En 2016, Unterberg y el equipo comenzaron a realizar experimentos en el tokamak, un reactor de fusión que utiliza campos magnéticos para contener un anillo de plasma, en la Instalación Nacional de Fusión DIII-D, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en San Diego. Querían saber si el tungsteno podía usarse para blindar la cámara de vacío del tokamak, protegiéndola de la rápida destrucción causada por los efectos del plasma, sin contaminar en gran medida el plasma en sí. Esta contaminación, si no se gestiona lo suficiente, En última instancia, podría extinguir la reacción de fusión.

"Estábamos tratando de determinar qué áreas de la cámara serían particularmente malas:dónde era más probable que el tungsteno generara impurezas que pudieran contaminar el plasma, ", Dijo Unterberg.

Para encontrar eso, los investigadores utilizaron un isótopo enriquecido de tungsteno, W-182, junto con el isótopo no modificado, para rastrear la erosión, transporte y redeposición de tungsteno desde el interior del desviador. Observar el movimiento del tungsteno dentro del desviador, un área dentro de la cámara de vacío diseñada para desviar el plasma y las impurezas, les dio una imagen más clara de cómo se erosiona de las superficies dentro del tokamak e interactúa con el plasma. El isótopo de tungsteno enriquecido tiene las mismas propiedades físicas y químicas que el tungsteno normal. Los experimentos en DIII-D utilizaron pequeños insertos de metal recubiertos con el isótopo enriquecido colocados cerca de, pero no en la zona de flujo de calor más alto, un área en la embarcación que normalmente se denomina región de objetivo lejano del desviador. Por separado, en una región desviadora con los flujos más altos, el punto de huelga, los investigadores utilizaron insertos con el isótopo no modificado. El resto de la cámara DIII-D está blindada con grafito.

Esta configuración permitió a los investigadores recolectar muestras en sondas especiales insertadas temporalmente en la cámara para medir el flujo de impurezas hacia y desde la armadura del recipiente. lo que podría darles una idea más precisa de dónde se había originado el tungsteno que se había filtrado desde el desviador hacia la cámara.

"El uso del isótopo enriquecido nos dio una huella digital única, ", Dijo Unterberg.

Fue el primer experimento de este tipo realizado en un dispositivo de fusión. Uno de los objetivos era determinar los mejores materiales y la ubicación de estos materiales para el blindaje de la cámara, mientras mantiene las impurezas causadas por las interacciones plasma-material contenidas en gran medida en el desviador y no contamina el núcleo de plasma confinado al imán utilizado para producir la fusión.

Una complicación con el diseño y funcionamiento de los desviadores es la contaminación por impurezas en el plasma causada por modos localizados en los bordes, o ELM. Algunos de estos rápidos eventos de alta energía, similar a las erupciones solares, puede dañar o destruir los componentes del recipiente, como las placas de desvío. La frecuencia de los ELM, las veces por segundo que ocurren estos eventos, es un indicador de la cantidad de energía liberada del plasma a la pared. Los ELM de alta frecuencia pueden liberar bajas cantidades de plasma por erupción, pero si los ELM son menos frecuentes, el plasma y la energía liberados por erupción son altos, con mayor probabilidad de daño. Investigaciones recientes han analizado formas de controlar y aumentar la frecuencia de los ELM, como con inyección de pellets o campos magnéticos adicionales en magnitudes muy pequeñas.

El equipo de Unterberg encontró, como esperaban, que tener el tungsteno lejos del punto de impacto de alto flujo aumentó en gran medida la probabilidad de contaminación cuando se expuso a ELM de baja frecuencia que tienen un mayor contenido de energía y contacto superficial por evento. Adicionalmente, el equipo descubrió que esta región de objetivo lejano del desviador era más propensa a contaminar el SOL, aunque generalmente tiene flujos más bajos que el punto de impacto. Estos resultados aparentemente contrarios a la intuición están siendo confirmados por los esfuerzos de modelado de desviadores en curso en relación con este proyecto y los experimentos futuros en DIII-D.

Este proyecto involucró a un equipo de expertos de toda América del Norte, incluidos colaboradores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton, Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, Laboratorios Nacionales Sandia, ORNL, Atómica general, Universidad de Auburn, la Universidad de California en San Diego, la Universidad de Toronto, la Universidad de Tennessee — Knoxville, y la Universidad de Wisconsin-Madison, ya que proporcionó una herramienta importante para la investigación de la interacción plasma-material. La Oficina de Ciencias del DOE (Fusion Energy Sciences) brindó apoyo para el estudio.

El equipo publicó una investigación en línea a principios de este año en la revista. Fusión nuclear .

La investigación podría beneficiar inmediatamente al Joint European Torus, o JET, e ITER, ahora en construcción en Cadarache, Francia, ambos utilizan una armadura de tungsteno para el desviador.

"Pero estamos mirando cosas más allá de ITER y JET, estamos mirando los reactores de fusión del futuro, ", Dijo Unterberg." ¿Dónde es mejor poner tungsteno, ¿y dónde no deberías poner tungsteno? Nuestro objetivo final es blindar nuestros reactores de fusión, cuando ellos vengan, de una manera inteligente ".

Unterberg dijo que el Grupo de Isótopos Estables único de ORNL, que desarrolló y probó el recubrimiento isotópico enriquecido antes de ponerlo en una forma útil para el experimento, hizo posible la investigación. Ese isótopo no habría estado disponible en ningún otro lugar sino en el Centro Nacional de Desarrollo de Isótopos en ORNL, que mantiene una reserva de casi todos los elementos separados isotópicamente, él dijo.

"ORNL tiene una experiencia única y deseos particulares para este tipo de investigación, ", Dijo Unterberg." Tenemos un largo legado en el desarrollo de isótopos y su uso en todo tipo de investigación en diferentes aplicaciones en todo el mundo ".

Además, ORNL gestiona US ITER.

Próximo, El equipo analizará cómo la introducción de tungsteno en desviadores de diferentes formas podría afectar la contaminación del núcleo. Diferentes geometrías de desviadores podrían minimizar los efectos de las interacciones plasma-material en el núcleo del plasma, han teorizado. Conocer la mejor forma de un desviador, un componente necesario para un dispositivo de plasma confinado magnéticamente, pondría a los científicos un paso más cerca de un reactor de plasma viable.

"Si nosotros, como una sociedad, decimos que queremos que se produzca la energía nuclear, y queremos pasar a la siguiente etapa, "Unterberg dijo, "La fusión sería el santo grial".