Bagian dalam reaktor energi fusi nuklir di masa depan akan menjadi salah satu lingkungan paling keras yang pernah terjadi di Bumi. Apa yang cukup kuat untuk melindungi bagian dalam reaktor fusi dari fluks panas yang dihasilkan plasma seperti pesawat ulang-alik yang memasuki kembali atmosfer bumi?

Peneliti ORNL menggunakan tungsten alami (kuning) dan tungsten yang diperkaya (oranye) untuk melacak erosi, pengangkutan, dan pengendapan kembali tungsten. Tungsten adalah pilihan utama untuk melapisi bagian dalam perangkat fusi.

Zeke Unterberg dan timnya di Laboratorium Nasional Oak Ridge Departemen Energi saat ini sedang bekerja dengan kandidat utama: tungsten, yang memiliki titik leleh tertinggi dan tekanan uap terendah dari semua logam pada tabel periodik, serta kekuatan tarik yang sangat tinggi— sifat yang membuatnya cocok untuk disalahgunakan dalam jangka waktu lama. Mereka fokus untuk memahami bagaimana tungsten bekerja di dalam reaktor fusi, sebuah alat yang memanaskan atom-atom ringan ke suhu yang lebih panas dari inti matahari sehingga atom-atom tersebut berfusi dan melepaskan energi. Gas hidrogen dalam reaktor fusi diubah menjadi plasma hidrogen—zat yang terdiri dari gas terionisasi sebagian—yang kemudian dibatasi dalam wilayah kecil oleh medan magnet atau laser yang kuat.

“Anda tentu tidak ingin memasukkan sesuatu ke dalam reaktor Anda yang hanya bertahan beberapa hari,” kata Unterberg, ilmuwan riset senior di Divisi Energi Fusion ORNL. “Anda ingin memiliki masa hidup yang cukup. Kami menempatkan tungsten di area yang kami antisipasi akan terjadi pemboman plasma yang sangat tinggi.”

Pada tahun 2016, Unterberg dan timnya mulai melakukan eksperimen di tokamak, reaktor fusi yang menggunakan medan magnet untuk menampung cincin plasma, di Fasilitas Fusi Nasional DIII-D, fasilitas pengguna Kantor Sains DOE di San Diego. Mereka ingin tahu apakah tungsten dapat digunakan untuk melapisi ruang vakum tokamak—melindunginya dari kerusakan cepat akibat efek plasma—tanpa mengkontaminasi plasma itu sendiri. Kontaminasi ini, jika tidak dikelola dengan baik, pada akhirnya dapat memadamkan reaksi fusi.

“Kami mencoba menentukan area mana di dalam ruangan yang paling buruk: di mana tungsten paling mungkin menghasilkan kotoran yang dapat mencemari plasma,” kata Unterberg.

Untuk menemukannya, para peneliti menggunakan isotop tungsten yang diperkaya, W-182, bersama dengan isotop yang tidak dimodifikasi, untuk melacak erosi, pengangkutan, dan pengendapan kembali tungsten dari dalam pengalih. Melihat pergerakan tungsten di dalam divertor—area di dalam ruang vakum yang dirancang untuk mengalihkan plasma dan kotoran—memberi mereka gambaran yang lebih jelas tentang bagaimana tungsten terkikis dari permukaan di dalam tokamak dan berinteraksi dengan plasma. Isotop tungsten yang diperkaya memiliki sifat fisik dan kimia yang sama dengan tungsten biasa. Percobaan di DIII-D menggunakan sisipan logam kecil yang dilapisi dengan isotop yang diperkaya yang ditempatkan dekat, tetapi tidak pada, zona fluks panas tertinggi, suatu area di dalam bejana yang biasanya disebut wilayah sasaran jauh pengalih. Secara terpisah, di wilayah pengalih dengan fluks tertinggi, yaitu titik tumbukan, para peneliti menggunakan sisipan dengan isotop yang tidak dimodifikasi. Sisa ruang DIII-D dilapisi dengan grafit.

Pengaturan ini memungkinkan para peneliti untuk mengumpulkan sampel pada probe khusus yang sementara dimasukkan ke dalam ruangan untuk mengukur aliran pengotor ke dan dari pelindung kapal, yang dapat memberi mereka gambaran yang lebih tepat tentang di mana tungsten yang bocor dari divertor ke dalam ruangan tersebut. berasal.

“Penggunaan isotop yang diperkaya memberi kita sidik jari yang unik,” kata Unterberg.

Ini adalah eksperimen pertama yang dilakukan pada perangkat fusi. Salah satu tujuannya adalah untuk menentukan bahan terbaik dan lokasi bahan-bahan ini untuk pelindung ruang, sekaligus menjaga pengotor yang disebabkan oleh interaksi bahan plasma sebagian besar terkandung dalam pengalih dan tidak mencemari plasma inti bermagnet yang digunakan untuk menghasilkan fusi.

Salah satu komplikasi dalam desain dan pengoperasian divertor adalah kontaminasi pengotor dalam plasma yang disebabkan oleh mode edge-localized, atau ELM. Beberapa peristiwa yang cepat dan berenergi tinggi ini, seperti jilatan api matahari, dapat merusak atau menghancurkan komponen kapal seperti pelat pengalih. Frekuensi ELM, yaitu berapa kali peristiwa ini terjadi per detik, merupakan indikator jumlah energi yang dilepaskan dari plasma ke dinding. ELM berfrekuensi tinggi dapat melepaskan sejumlah kecil plasma setiap letusan, namun jika ELM lebih jarang, plasma dan energi yang dilepaskan per letusan akan tinggi, sehingga kemungkinan terjadinya kerusakan lebih besar. Penelitian terbaru telah mencari cara untuk mengontrol dan meningkatkan frekuensi ELM, seperti dengan injeksi pelet atau medan magnet tambahan dengan besaran yang sangat kecil.

Tim Unterberg menemukan, sesuai perkiraan mereka, bahwa menempatkan tungsten jauh dari titik tumbukan fluks tinggi sangat meningkatkan kemungkinan kontaminasi ketika terkena ELM frekuensi rendah yang memiliki kandungan energi dan kontak permukaan lebih tinggi per peristiwa. Selain itu, tim menemukan bahwa wilayah sasaran jauh pengalih ini lebih rentan terhadap kontaminasi SOL meskipun secara umum fluksnya lebih rendah daripada titik tumbukan. Hasil yang tampaknya berlawanan dengan intuisi ini dikonfirmasi oleh upaya pemodelan pengalih yang sedang berlangsung sehubungan dengan proyek ini dan eksperimen DIII-D di masa depan.

Proyek ini melibatkan tim ahli dari seluruh Amerika Utara, termasuk kolaborator dari Laboratorium Fisika Plasma Princeton, Laboratorium Nasional Lawrence Livermore, Laboratorium Nasional Sandia, ORNL, General Atomics, Universitas Auburn, Universitas California di San Diego, Universitas Toronto, Universitas Tennessee—Knoxville, dan Universitas Wisconsin-Madison, karena menyediakan alat penting untuk penelitian interaksi bahan plasma. Kantor Ilmu Pengetahuan DOE (Ilmu Energi Fusion) memberikan dukungan untuk penelitian ini.

Tim mempublikasikan penelitian online awal tahun ini di jurnalFusi Nuklir.

Penelitian ini dapat segera bermanfaat bagi Joint European Torus, atau JET, dan ITER, yang sekarang sedang dibangun di Cadarache, Perancis, keduanya menggunakan baja tungsten sebagai pengalihnya.

“Tetapi kami sedang melihat hal-hal di luar ITER dan JET—kami sedang melihat reaktor fusi masa depan,” kata Unterberg. “Di mana tempat terbaik untuk meletakkan tungsten, dan di mana sebaiknya Anda tidak meletakkan tungsten? Tujuan utama kami adalah untuk melindungi reaktor fusi kami, ketika hal itu terjadi, dengan cara yang cerdas.”

Unterberg mengatakan Grup Isotop Stabil ORNL yang unik, yang mengembangkan dan menguji lapisan isotop yang diperkaya sebelum memasukkannya ke dalam bentuk yang berguna untuk percobaan, memungkinkan penelitian ini. Isotop tersebut tidak akan tersedia di mana pun kecuali dari Pusat Pengembangan Isotop Nasional di ORNL, yang menyimpan persediaan hampir setiap unsur yang dipisahkan secara isotop, katanya.

“ORNL mempunyai keahlian unik dan keinginan khusus untuk jenis penelitian ini,” kata Unterberg. “Kami memiliki sejarah panjang dalam mengembangkan isotop dan menggunakannya dalam semua jenis penelitian dan penerapan berbeda di seluruh dunia.”

Selain itu, ORNL mengelola US ITER.

Selanjutnya, tim akan melihat bagaimana memasukkan tungsten ke dalam pengalih dengan bentuk berbeda dapat mempengaruhi kontaminasi inti. Geometri pengalih yang berbeda dapat meminimalkan efek interaksi material plasma pada plasma inti, menurut teori mereka. Mengetahui bentuk terbaik dari divertor—komponen penting untuk perangkat plasma bermagnet—akan membawa para ilmuwan selangkah lebih dekat ke reaktor plasma yang layak.

“Jika kita, sebagai masyarakat, mengatakan kita ingin energi nuklir terwujud, dan kita ingin melangkah ke tahap berikutnya,” kata Unterberg, “fusi akan menjadi hal yang paling mungkin dilakukan.”