For at udvikle et praktisk fusionskraftsystem er forskere nødt til fuldt ud at forstå, hvordan plasmabrændstof interagerer med sine omgivelser. Plasmaet er overophedet, hvilket betyder, at nogle af de involverede atomer kan slå væggen i fusionsbeholderen og blive indlejret. For at holde systemet fungerer effektivt, er det vigtigt at vide, hvor meget brændstof der kan fanges.
“Jo mindre brændstof er fanget i væggen, desto mindre radioaktivt materiale opbygges det,” sagde Shota Abe, en personaleforskningsfysiker ved det amerikanske energiministerium (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL).
Abe er den førende forsker på en undersøgelse offentliggjort i Nukleare materialer og energi. Undersøgelsen ser specifikt ud på, hvor meget deuterium-der blev tænkt for at være et af de bedste brændstoffer til fusion-kunne sidde fast i de borbelagte, grafitvægge i en doughnn-formet fusionsbeholder kendt som en Tokamak. Bor bruges i nogle eksperimentelle fusionssystemer til at reducere plasmaprodukter. Imidlertid forstår forskere ikke fuldt ud, hvordan en borbelægning kan påvirke mængden af fusionsbrændstof, der forlader plasmaet og bliver indlejret i karvæggene.
“At forstå, hvordan borbelægninger kan interagere med deuterium, kan hjælpe os med at forbedre materialer til fremtidige fusionskraftværker, såsom ITER,” sagde Abe. ITER er den multinationale facilitet under samling i Frankrig, som vil studere plasma, der kan varme sig selv og opretholde sine egne fusionsreaktioner.
Foruden forskere fra PPPL bidrog et betydeligt team af eksperter fra institutioner over hele landet til den nye undersøgelse af brændstofopbevaring, herunder forskere fra Princeton University, University of California-San Diego, General Atomics, University of Tennessee og Sandia National Laboratories. Deres verdensledende arbejde er kritisk vigtigt for at gøre fusion til en levedygtig kilde til elektricitet i kommerciel skala.
Deuterium står også i for Tritium i eksperimenter
I et kommercielt fusionssystem vil brændstoffet sandsynligvis være lavet af deuterium og tritium, som begge er former for brint. Tritium er radioaktivt, men deuterium er det ikke. Så eksperimenterne anvendte deuterium som en stand-in for tritium, da de ligner i mange henseender. Men Tritium er et element, der skal styres omhyggeligt i kommercielle fusionssystemer.
“Der er meget strenge begrænsninger for, hvor meget Tritium kan være på en enhed på et givet tidspunkt. Hvis du går over det, stopper alt, og licensen fjernes,” sagde Alessandro Bortolon, en administrerende hovedforskningsfysiker hos PPPL, der også bidrog til arbejdet. “Så hvis du vil have en fungerende reaktor, skal du sørge for, at din bogføring af Tritium er nøjagtig. Hvis du går over grænsen, er det en showstopper.”
Interessant nok siger forskerne, at den vigtigste årsag til det fangede brændstof ikke er borbelægningen. Det er kulstof. Selv små mængder kulstof øgede mængden af deuteriumbrændstof, der er fanget i prøverne under eksperimentet. Disse borfilmprøver blev oprettet under anvendelse af et plasma lavet af en gas indeholdende bor og deuterium (såvel som med nogle urenheder) i DIII-D, en Tokamak ved generel atomik.
Carbon og boren sammen kan binde så tæt til deuterium, at det ville tage temperaturer omkring 1000 ° F at bryde bindingen, hvilket gør det meget udfordrende at fjerne brændstoffet uden at beskadige fusionssystemet.
“Carbonet er virkelig uroligheden,” sagde PPPL-personaleforskningsfysiker Florian Effenberg, der også er medforfatter til papiret. “Kulstof skal minimeres. Selvom vi ikke kan få det til nul, bruger vi alle de midler, vi er nødt til at reducere mængden af kulstof så meget som muligt.”
Faktisk øgede eksponering for et plasma med små mængder kulstofforurening mængden af deuterium markant. Forskerne fandt, at for hver fem enheder med bor, der blev fanget i en prøve, blev to enheder af deuterium fanget.
Grafitfliser, der skal byttes ud
DIII-D-fusionssystemet blev anvendt i eksperimenterne og har i øjeblikket vægge fremstillet af grafit, en form for kulstof. “Vi ønsker at slippe af med alt kulstof og have rene wolframvægge,” sagde Effenberg, for at sikre, at beregningerne er endnu tættere på, hvad der vil blive oplevet i ITER.
En af styrkerne ved forskningen er, at nogle af prøverne blev udsat for plasma i DIII-D-fusionsbeholderen. Maskinen er en af flere eksperimentelle tokamaks, der fungerer ved hjælp af magnetiske felter til at holde plasma i en donutform. I betragtning af at forskningen antyder, at selv spormængder af kulstof drastisk kan øge mængden af tritium, der sidder fast i væggene i en Tokamak, kan resultaterne have vigtige konsekvenser for at opfylde reguleringsgrænser i fremtidige fusionskraftværker.
Andre forskere på projektet inkluderer Michael Simmonds, Igor Bykov, Jun Ren, Dmitry L. Rudakov, Ryan Hood, Alan Hyatt, Zihan Lin og Tyler Abrams.