Forskere bruker bor på wolframkomponenter i fusjonsanlegg

Hva er forbindelsen mellom bor, et element i et vanlig rengjøringsmiddel, og tokamaks, ringformede fusjonsanlegg som varmer opp drivstoff til millioner graders temperaturer? Forskere ved det amerikanske energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har utført forskning som viser at en PPPL-utviklet pulverdråper med hell kan slippe borpulver ned i høytemperaturplasma i tokamaks som har deler laget av et varmebestandig materiale. kjent som wolfram. Forskere vil bekrefte at de kan bruke denne prosessen til å påføre bor på wolframdeler fordi bare wolframvegger kan skade plasmaytelsen hvis plasmaet skader wolfram.

På grunn av det høyt smeltepunkt, wolfram brukes i økende grad i tokamaks for å hjelpe komponenter motstå den intense varmen fra fusjonsprosessen. Bor skjermer delvis wolfram fra plasma og hindrer wolfram fra å lekke inn i plasmaet; det absorberer også eventuelle herreløse elementer som oksygen som kan være i plasmaet fra andre kilder. Disse uønskede urenhetene kan avkjøle plasmaet og slukke fusjonsreaksjoner.

“Vi trenger en måte å avsette borbelegg på uten å slå av tokamaks magnetfelt, og det er det pulverdråperen lar oss gjøre,” sa Grant Bodner, en postdoktor ved PPPL som var hovedforfatter av forskningsoppgaven som rapporterte resulterer i Kjernefysisk fusjon. Forskningen ble utført ved bruk av W Environment in Steady-State Tokamak (WEST), drevet av Frankrikes Atomic Energy Commission (CEA). “WEST er et av få full-wolfram-miljøer som kan hjelpe oss å teste denne teknologien med lange pulser,” sa Bodner.

En annen grunn til at fysikerne utførte eksperimentene sine med WEST, er at magnetene er laget av superledende materiale som vil være med i magneter inne i fremtidige fusjonsenheter. Dette materialet leder elektrisitet med liten eller ingen motstand og produserer lite overskuddsvarme slik at magnetene kan fungere uten å stoppe i lange perioder, slik fremtidige fusjonsreaktorer vil måtte gjøre. Magnetene skaper kreftene som begrenser plasmaet slik at det kan gjennomgå fusjon.

Fusjon, kraften som driver sola og stjernene, kombinerer lette elementer i form av plasma – den varme, ladede tilstanden til materie som består av frie elektroner og atomkjerner – som genererer enorme mengder energi. Forskere søker å gjenskape fusjon på jorden for en praktisk talt uuttømmelig forsyning av kraft for å generere elektrisitet.

Forskere trenger en måte å fylle på borbelegg mens maskinene er i drift fordi fremtidige fusjonsanlegg ikke vil kunne stenge ned ofte for ny belegg. “Å slippe bor i en tokamak mens den er i drift er som å rengjøre leiligheten din mens du gjør alle de andre tingene du vanligvis gjør i den,” sa CEA-forsker Alberto Gallo, som bidro til forskningen. “Det er veldig nyttig – det betyr at du ikke trenger å ta ekstra tid fra dine vanlige aktiviteter for å gjøre rengjøringen,” sa han.

Pulverdroppeanordningen er montert på toppen av tokamak og bruker presise aktuatorer for å flytte pulverisert materiale fra deres reservoarer til tokamakens vakuumkammer. Denne mekanismen gjør det mulig for forskere å angi hastigheten og varigheten av pulverdråpene nøyaktig, som i andre fusjonsanlegg kan inkludere andre ytelsesfremmende materialer som litium. “På grunn av den fleksibiliteten har dropperen potensial til å være virkelig nyttig i fremtiden,” sa Bodner.

Forskerne ble overrasket over å finne at boret som ble lagt ned av dråpetren gjorde mer enn å kondisjonere de indre wolframoverflatene. “Vi så at når vi falt i pulveret, plasma innesperring økt, noe som betyr at den beholder mer av varmen, noe som hjelper fusjonsprosessen,” sa Bodner.

Den økte inneslutningen var spesielt nyttig fordi den skjedde uten at plasmaet gikk inn i en tilstand kjent som H-modus (høy innesperringsmodus), der innesperringen forbedres, men plasmaet er mer sannsynlig å bryte ut med det som er kjent som kantlokaliserte moduser, eller ELM-er. Disse ELM-ene flytter varme ut av plasmaet, reduserer effektiviteten til fusjonsreaksjonene og skader noen ganger interne komponenter. “Hvis vi kan bruke dropperen til å få den gode inneslutningen av H-modus uten å faktisk gå inn i H-modus og risikere ELM-er, ville det være flott for fusjonsreaktorer,” sa Bodner.

I fremtiden ønsker forskerne å teste å bruke dropperen bare når det er nødvendig for å opprettholde god plasmaytelse. “Å tilsette eventuelle ekstra urenheter, til og med bor, kan redusere hvor mye fusjon kraft du får fordi plasmaet blir mindre rent,” sa Bodner. “Derfor må vi prøve å bruke den minste mengden bor som fortsatt kan gi de effektene vi ønsker.”

Kommende eksperimenter vil fokusere på hvor mye bor belegger faktisk wolframoverflatene. “Vi ønsker å måle disse beløpene slik at vi virkelig kan kvantifisere hva vi gjør og utvide disse resultatene i fremtiden,” sa Bodner.

---

---