Wolfram, preferowany materiał na reaktory termojądrowe tokamaków, stwarza wyzwania ze względu na schładzanie rozpylania katodowego osoczeco sprawia, że fuzja jest trudna do utrzymania.
Naukowcy z PPPL sugerują, że posypanie tokamaków proszkiem boru mogłoby temu zapobiec, osłaniając ściany i zapobiegając przedostawaniu się wolframu do plazmy. Niedawne eksperymenty na światowych tokamakach i nowy model komputerowy potwierdzają potencjał proszku boru w utrzymywaniu optymalnych warunków plazmy do syntezy.
Wyzwania dotyczące wolframu i syntezy jądrowej
Badacze zajmujący się syntezą termojądrową coraz częściej faworyzują wolfram jako idealny materiał na elementy, które są bezpośrednio zwrócone w stronę plazmy wewnątrz reaktorów termojądrowych, takich jak tokamaki i stellaratory. Jednakże pod wpływem intensywnego ciepła plazmy termojądrowej atomy wolframu mogą rozpylać się ze ścian reaktora do plazmy. Nadmiar wolframu znacznie chłodzi plazmę, co stanowi wyzwanie dla podtrzymania reakcji termojądrowych.
Naukowcy z Laboratorium Fizyki Plazmy w Princeton (PPPL) Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych dysponują obecnie dowodami eksperymentalnymi wskazującymi, że wprowadzenie sproszkowanego boru do tokamaka mogłoby rozwiązać ten problem. Bor częściowo chroni ściany reaktora przed plazmą i zapobiega ich zanieczyszczeniu przez atomy ścian. Co więcej, nowe ramy modelowania komputerowego opracowane przez badaczy PPPL sugerują, że proszek boru może wymagać nałożenia jedynie w jednym miejscu. Odkrycia te i nowe podejście do modelowania zaprezentowano niedawno na 66. dorocznym spotkaniu Oddziału Fizyki Plazmy Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego w Atlancie.
Roztwór boru w akcji
Joseph Snipes, zastępca szefa Tokamak Experimental Science, optymistycznie ocenia system wtrysku stałego boru w oparciu o eksperymenty, które wykazały zmniejszenie rozpylania wolframu po wtrysku stałego boru. Eksperymenty przeprowadzono w trzech tokamakach o ścianach wolframowych na całym świecie: jednym w Niemczech, jednym w Chinach i jednym w USA
„Bor jest wsypywany do plazmy tokamaka w postaci proszku, niczym z solniczki, który jest jonizowany na krawędzi plazmy, a następnie osadzany na wewnętrznych ścianach tokamaka i w obszarze wydechowym” – powiedział. „Po pokryciu cienką warstwą boru zapobiegnie przedostawaniu się wolframu do plazmy i wypromieniowywaniu energii plazmy”.
Snipes i jego współpracownicy pracują nad systemem wtrysku boru, a ostatecznym celem jest potencjalne wykorzystanie go w przemyśle tokamak w skali reaktora. Układ wtryskowy jest dobrze dostosowany do tego zadania, ponieważ może dodawać bor podczas pracy maszyny. Potrafi także precyzyjnie kontrolować i ograniczać ilość wtryskiwanego boru. Osadzone warstwy boru zatrzymują radioaktywny pierwiastek tryt, którego ilość w tokamaku ITER należy zminimalizować, aby zapewnić zgodność z bezpieczeństwem jądrowym. Naukowcy i inżynierowie z ITER i Oak Ridge National Laboratorium również współpracował przy tym projekcie.
Postępy w modelowaniu wtrysku boru
Florian Effenberg, fizyk naukowy pracujący w PPPL, kierował odrębnym projektem mającym na celu stworzenie ram modelowania komputerowego dla układu wtrysku boru w tokamak. Struktura sugeruje, że posypanie proszku boru tylko z jednego miejsca może zapewnić wystarczająco równomierny rozkład boru w elementach reaktora uwzględnianych w domenie symulacji.
„Opracowaliśmy nowy sposób zrozumienia, jak wtryskiwany materiał borowy zachowuje się w plazmie termojądrowej i jak oddziałuje ze ściankami reaktorów termojądrowych, utrzymując je w dobrym stanie podczas pracy” – powiedział Effenberg.
Następne kroki i rozważania dotyczące ITER
Podejście badaczy łączy trzy różne modele komputerowe, aby stworzyć nowe ramy i przepływ pracy. „Jeden model symuluje zachowanie plazmy, inny pokazuje, jak cząstki proszku boru poruszają się i parują w plazmie, a trzeci bada, w jaki sposób cząstki boru oddziałują ze ścianami tokamaka, w tym w jaki sposób przyklejają się, zużywają i mieszają z innymi materiałami – stwierdził Effenberg.
„Te spostrzeżenia są kluczowe dla optymalizacji strategii wtryskiwania boru w celu osiągnięcia skutecznego i jednolitego kondycjonowania ścian w ITER i innych reaktorach termojądrowych” – powiedział Effenberg.
Podczas gdy ramy modelowania dotyczyły DIII-D, tokamaka obsługiwanego przez w San Diego kolejna faza tych badań obejmuje skalowanie ram modelowania do ITER. Chociaż ściany DIII-D są wykonane z węgla, ITER planuje mieć ściany z wolframu, dlatego ważne będzie zbadanie wszelkich różnic w sposobie, w jaki bor chroni ściany.
Spotkanie: Doroczne spotkanie Oddziału Fizyki Plazmy Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego
Do prac opisanych przez Snipesa wnieśli także wkład następujący badacze: Larry Robert Baylor, Alessandro Bortolon, Florian Effenberg, Erik Gilson, Alberto Loarte, Robert Lunsford, Rajesh Maingi, Steve Meitner, Federico Nespoli, So Maruyama, Alexander Nagy, Zhen Sun, Jeff Ulreicha i Toma Wautersa. Finansowanie tych prac zapewniła Organizacja ITER.
Klaus Schmid, Federico Nespoli i Yühe Feng pracowali nad strukturą modelowania opisaną przez Effenberga w tym wydaniu. Alessandro Bortolon, Jeremy Lore, Tyler Abrams, Brian Grierson, Rajesh Maingi i Dmitry Rudakov wnieśli swój wkład w zastosowanie tych ram modelowania. Prace ukończono dzięki funduszom DE-AC02-09CH11466, DE-FC02-04ER54698 i DE-AC05-00OR22725.
