L'interno dei futuri reattori di energia a fusione nucleare sarà tra gli ambienti più difficili mai prodotti sulla Terra. Che cosa è abbastanza forte da proteggere l'interno di un reattore a fusione dai flussi di calore prodotti dal plasma simili alle navette spaziali che rientrano nell'atmosfera terrestre?

Zeke Unterberg e il suo team presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia stanno attualmente lavorando con il candidato principale:tungsteno, che ha il punto di fusione più alto e la pressione di vapore più bassa di tutti i metalli sulla tavola periodica, così come una resistenza alla trazione molto elevata, proprietà che lo rendono adatto a sopportare abusi per lunghi periodi di tempo. Sono concentrati sulla comprensione di come funzionerebbe il tungsteno all'interno di un reattore a fusione, un dispositivo che riscalda gli atomi di luce a temperature più calde del nucleo del sole in modo che si fondono e rilasciano energia. L'idrogeno in un reattore a fusione viene convertito in plasma di idrogeno, uno stato della materia costituito da gas parzialmente ionizzato, che viene quindi confinato in una piccola regione da forti campi magnetici o laser.

"Non vuoi mettere qualcosa nel tuo reattore che dura solo un paio di giorni, " disse Unterberg, uno scienziato ricercatore senior nella divisione dell'energia da fusione dell'ORNL. "Vuoi avere una durata sufficiente. Mettiamo il tungsteno nelle aree in cui prevediamo che ci sarà un bombardamento al plasma molto alto".

Nel 2016, Unterberg e il team hanno iniziato a condurre esperimenti nel tokamak, un reattore a fusione che utilizza campi magnetici per contenere un anello di plasma, presso il DIII-D National Fusion Facility, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE a San Diego. Volevano sapere se il tungsteno poteva essere usato per armare la camera a vuoto del tokamak, proteggendolo dalla rapida distruzione causata dagli effetti del plasma, senza contaminare pesantemente il plasma stesso. Questa contaminazione, se non sufficientemente gestito, potrebbe infine estinguere la reazione di fusione.

"Stavamo cercando di determinare quali aree della camera sarebbero state particolarmente cattive:dove il tungsteno aveva maggiori probabilità di generare impurità che possono contaminare il plasma, "Ha detto Unterberg.

Per trovarlo, i ricercatori hanno utilizzato un isotopo arricchito di tungsteno, W-182, insieme all'isotopo non modificato, per tracciare l'erosione, trasporto e rideposizione del tungsteno dall'interno del divertore. L'osservazione del movimento del tungsteno all'interno del divertore, un'area all'interno della camera a vuoto progettata per deviare plasma e impurità, ha fornito loro un'immagine più chiara di come si erode dalle superfici all'interno del tokamak e interagisce con il plasma. L'isotopo di tungsteno arricchito ha le stesse proprietà fisiche e chimiche del tungsteno normale. Gli esperimenti al DIII-D hanno utilizzato piccoli inserti metallici rivestiti con l'isotopo arricchito posti vicino a, ma non a, la zona di maggior flusso di calore, un'area nella nave tipicamente chiamata regione del bersaglio lontano del divertore. Separatamente, in una regione del deviatore con i flussi più alti, il punto di sciopero, i ricercatori hanno utilizzato inserti con l'isotopo non modificato. Il resto della camera DIII-D è blindato con grafite.

Questa configurazione ha permesso ai ricercatori di raccogliere campioni su sonde speciali temporaneamente inserite nella camera per misurare il flusso di impurità da e verso l'armatura del vaso, il che potrebbe dare loro un'idea più precisa di dove avesse avuto origine il tungsteno che era trapelato dal deviatore nella camera.

"L'uso dell'isotopo arricchito ci ha fornito un'impronta digitale unica, "Ha detto Unterberg.

È stato il primo esperimento del genere condotto in un dispositivo di fusione. Un obiettivo era determinare i migliori materiali e la posizione per questi materiali per l'armatura della camera, mantenendo le impurità causate dalle interazioni plasma-materiale in gran parte contenute nel divertore e non contaminando il plasma con nucleo confinato con magnete utilizzato per produrre la fusione.

Una complicazione con la progettazione e il funzionamento dei divertori è la contaminazione da impurità nel plasma causata da modalità localizzate ai bordi, o ELM. Alcuni di questi veloci, eventi ad alta energia, simile ai brillamenti solari, possono danneggiare o distruggere i componenti dell'imbarcazione come le piastre del deviatore. La frequenza degli ELM, le volte al secondo in cui si verificano questi eventi, è un indicatore della quantità di energia rilasciata dal plasma alla parete. Gli ELM ad alta frequenza possono rilasciare basse quantità di plasma per eruzione, ma se gli ELM sono meno frequenti, il plasma e l'energia rilasciati per eruzione sono alti, con una maggiore probabilità di danneggiamento. La ricerca recente ha esaminato i modi per controllare e aumentare la frequenza degli ELM, come con l'iniezione di pellet o campi magnetici aggiuntivi a grandezze molto piccole.

La squadra di Unterberg ha trovato, come si aspettavano, che avere il tungsteno lontano dal punto di attacco ad alto flusso ha notevolmente aumentato la probabilità di contaminazione quando esposto a ELM a bassa frequenza che hanno un contenuto energetico e un contatto superficiale più elevati per evento. Inoltre, il team ha scoperto che questa regione del bersaglio lontano del divertore era più incline alla contaminazione del SOL anche se generalmente ha flussi inferiori rispetto al punto di sciopero. Questi risultati apparentemente controintuitivi sono stati confermati dai continui sforzi di modellazione dei divertori in relazione a questo progetto e ai futuri esperimenti su DIII-D.

Questo progetto ha coinvolto un team di esperti provenienti da tutto il Nord America, compresi i collaboratori del Princeton Plasma Physics Laboratory, Laboratorio Nazionale Lawrence Livermore, Laboratori Nazionali Sandia, ORNL, Atomica Generale, Università di Auburn, l'Università della California a San Diego, l'Università di Toronto, l'Università del Tennessee-Knoxville, e l'Università del Wisconsin-Madison, in quanto ha fornito uno strumento significativo per la ricerca sull'interazione plasma-materiale. L'Office of Science del DOE (Fusion Energy Sciences) ha fornito supporto per lo studio.

Il team ha pubblicato una ricerca online all'inizio di quest'anno sulla rivista Fusione nucleare .

La ricerca potrebbe beneficiare immediatamente il Joint European Torus, o GETTO, e ITER, ora in costruzione a Cadarache, Francia, entrambi utilizzano un'armatura di tungsteno per il divertore.

"Ma stiamo guardando cose oltre ITER e JET:stiamo guardando i reattori a fusione del futuro, " Ha detto Unterberg. "Dove è meglio mettere il tungsteno, e dove non dovresti mettere il tungsteno? Il nostro obiettivo finale è blindare i nostri reattori a fusione, quando vengono, in modo intelligente».

Unterberg ha affermato che l'esclusivo gruppo di isotopi stabili di ORNL, che ha sviluppato e testato il rivestimento isotopico arricchito prima di metterlo in una forma utile per l'esperimento, reso possibile la ricerca. Quell'isotopo non sarebbe stato disponibile da nessuna parte se non dal Centro nazionale per lo sviluppo degli isotopi dell'ORNL, che mantiene una scorta di quasi tutti gli elementi separati isotopicamente, Egli ha detto.

"ORNL ha competenze uniche e desideri particolari per questo tipo di ricerca, " Ha detto Unterberg. "Abbiamo una lunga eredità nello sviluppo di isotopi e nel loro utilizzo in tutti i tipi di ricerca in diverse applicazioni in tutto il mondo".

Inoltre, ORNL gestisce US ITER.

Prossimo, il team esaminerà come l'inserimento di tungsteno in divertori di forma diversa potrebbe influire sulla contaminazione del nucleo. Diverse geometrie del divertore potrebbero ridurre al minimo gli effetti delle interazioni plasma-materiale sul plasma centrale, hanno teorizzato. Conoscere la forma migliore per un divertore, un componente necessario per un dispositivo al plasma confinato magnetico, avvicinerebbe gli scienziati a un reattore al plasma praticabile.

"Se noi, come società, diciamo che vogliamo che l'energia nucleare accada, e vogliamo passare alla fase successiva, "Unterberg ha detto, "la fusione sarebbe il Santo Graal".