O interior dos futuros reatores de energia de fusão nuclear estará entre os ambientes mais hostis já produzidos na Terra. O que é forte o suficiente para proteger o interior de um reator de fusão de fluxos de calor produzidos por plasma semelhantes aos ônibus espaciais que reentram na atmosfera da Terra?

Zeke Unterberg e sua equipe do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia estão atualmente trabalhando com o principal candidato:tungstênio, que tem o ponto de fusão mais alto e a pressão de vapor mais baixa de todos os metais na tabela periódica, bem como resistência à tração muito alta - propriedades que o tornam adequado para suportar o abuso por longos períodos de tempo. Eles estão focados em entender como o tungstênio funcionaria dentro de um reator de fusão, um dispositivo que aquece átomos leves a temperaturas mais altas do que o núcleo do sol para que eles se fundam e liberem energia. O gás hidrogênio em um reator de fusão é convertido em plasma de hidrogênio - um estado da matéria que consiste em gás parcialmente ionizado - que é então confinado em uma pequena região por fortes campos magnéticos ou lasers.

"Você não quer colocar algo em seu reator que dure apenas alguns dias, "disse Unterberg, um cientista pesquisador sênior na Divisão de Energia de Fusão do ORNL. "Você quer ter uma vida útil suficiente. Colocamos tungstênio em áreas onde prevemos que haverá um bombardeio de plasma muito alto."

Em 2016, Unterberg e a equipe começaram a conduzir experimentos no tokamak, um reator de fusão que usa campos magnéticos para conter um anel de plasma, no DIII-D National Fusion Facility, uma instalação de usuário do DOE Office of Science em San Diego. Eles queriam saber se o tungstênio poderia ser usado para blindar a câmara de vácuo do tokamak - protegendo-o da rápida destruição causada pelos efeitos do plasma - sem contaminar fortemente o próprio plasma. Esta contaminação, se não for suficientemente gerido, poderia acabar extinguindo a reação de fusão.

"Estávamos tentando determinar quais áreas da câmara seriam particularmente ruins:onde o tungstênio tinha maior probabilidade de gerar impurezas que podem contaminar o plasma, "Unterberg disse.

Para encontrar isso, os pesquisadores usaram um isótopo enriquecido de tungstênio, W-182, junto com o isótopo não modificado, para rastrear a erosão, transporte e redeposição de tungstênio de dentro do divertor. Observar o movimento do tungstênio dentro do divertor - uma área dentro da câmara de vácuo projetada para desviar plasma e impurezas - deu a eles uma imagem mais clara de como ele se desgasta das superfícies dentro do tokamak e interage com o plasma. O isótopo de tungstênio enriquecido tem as mesmas propriedades físicas e químicas do tungstênio normal. Os experimentos em DIII-D usaram pequenas inserções de metal revestidas com o isótopo enriquecido colocado perto de, mas não em, a zona de maior fluxo de calor, uma área na embarcação normalmente chamada de região de alvo distante do divertor. Separadamente, em uma região de divertor com os fluxos mais altos, o ponto de ataque, os pesquisadores usaram inserções com o isótopo não modificado. O restante da câmara DIII-D é blindado com grafite.

Esta configuração permitiu aos pesquisadores coletar amostras em sondas especiais temporariamente inseridas na câmara para medir o fluxo de impurezas de e para a armadura do navio, o que poderia dar-lhes uma ideia mais precisa de onde se originou o tungstênio que vazou do divertor para a câmara.

"Usar o isótopo enriquecido nos deu uma impressão digital única, "Unterberg disse.

Foi o primeiro experimento realizado em um dispositivo de fusão. Um objetivo era determinar os melhores materiais e localização para esses materiais para a blindagem da câmara, enquanto mantém as impurezas causadas pelas interações plasma-material amplamente contidas no divertor e não contamina o plasma do núcleo confinado com ímã usado para produzir a fusão.

Uma complicação com o projeto e a operação dos desviadores é a contaminação de impurezas no plasma causada por modos localizados na borda, ou ELMs. Alguns desses rápidos, eventos de alta energia, semelhante a explosões solares, pode danificar ou destruir componentes da embarcação, como placas de desvio. A frequência dos ELMs, as vezes por segundo em que esses eventos ocorrem, é um indicador da quantidade de energia liberada do plasma para a parede. ELMs de alta frequência podem liberar pequenas quantidades de plasma por erupção, mas se os ELMs são menos frequentes, o plasma e a energia liberada por erupção são altos, com maior probabilidade de danos. Uma pesquisa recente procurou maneiras de controlar e aumentar a frequência de ELMs, como a injeção de pelotas ou campos magnéticos adicionais em magnitudes muito pequenas.

A equipe de Unterberg descobriu, como eles esperavam, que ter o tungstênio longe do ponto de ataque de alto fluxo aumentou muito a probabilidade de contaminação quando exposto a ELMs de baixa frequência que têm maior conteúdo de energia e contato de superfície por evento. Adicionalmente, a equipe descobriu que essa região de alvo distante do divertor era mais propensa a contaminar o SOL, embora geralmente tenha fluxos mais baixos do que o ponto de ataque. Esses resultados aparentemente contra-intuitivos estão sendo confirmados por esforços contínuos de modelagem de divertor em relação a este projeto e experimentos futuros em DIII-D.

Este projeto envolveu uma equipe de especialistas de toda a América do Norte, incluindo colaboradores do Laboratório de Física de Plasma de Princeton, Laboratório Nacional Lawrence Livermore, Sandia National Laboratories, ORNL, Atômica Geral, Auburn University, a Universidade da Califórnia em San Diego, a Universidade de Toronto, a Universidade do Tennessee — Knoxville, e a Universidade de Wisconsin-Madison, uma vez que forneceu uma ferramenta significativa para a pesquisa de interação plasma-material. O Escritório de Ciências do DOE (Ciências da Energia de Fusão) forneceu suporte para o estudo.

A equipe publicou uma pesquisa online no início deste ano na revista Fusão nuclear .

A pesquisa pode beneficiar imediatamente o Joint European Torus, ou JET, e ITER, agora em construção em Cadarache, França, ambos usam armadura de tungstênio para o divertor.

"Mas estamos olhando para coisas além do ITER e JET - estamos olhando para os reatores de fusão do futuro, "Unterberg disse." Onde é melhor colocar o tungstênio, e onde você não deve colocar tungstênio? Nosso objetivo final é blindar nossos reatores de fusão, quando eles vierem, de uma forma inteligente. "

Unterberg disse que o único Grupo de Isótopos Estáveis ​​do ORNL, que desenvolveu e testou o revestimento de isótopo enriquecido antes de colocá-lo em uma forma útil para o experimento, tornou a pesquisa possível. Esse isótopo não estaria disponível em qualquer lugar, mas no Centro Nacional de Desenvolvimento de Isótopos em ORNL, que mantém um estoque de quase todos os elementos separados isotopicamente, ele disse.

"ORNL tem experiência única e desejos particulares para este tipo de pesquisa, "Unterberg disse." Temos um longo legado de desenvolvimento de isótopos e uso deles em todos os tipos de pesquisa em diferentes aplicações ao redor do mundo. "

Além disso, O ORNL gerencia o US ITER.

Próximo, a equipe analisará como colocar tungstênio em divertores de formatos diferentes pode afetar a contaminação do núcleo. Diferentes geometrias de divertor podem minimizar os efeitos das interações plasma-material no plasma do núcleo, eles teorizaram. Saber a melhor forma de um divertor - um componente necessário para um dispositivo de plasma confinado magnético - colocaria os cientistas um passo mais perto de um reator de plasma viável.

"Se nós, como sociedade, digamos que queremos que a energia nuclear aconteça, e queremos passar para a próxima fase, "Unterberg disse, "a fusão seria o Santo Graal."