将来の核融合エネルギー炉の内部は、地球上でこれまでに生み出された中で最も過酷な環境の一つとなるでしょう。地球の大気圏に再突入するスペースシャトルに似たプラズマ生成の熱流束から核融合炉の内部を保護するのに十分な強度があるものは何でしょうか?

ORNL の研究者は、天然タングステン (黄色) と濃縮タングステン (オレンジ色) を使用して、タングステンの浸食、輸送、再堆積を追跡しました。タングステンは、核融合装置の内部を装甲するための主要な選択肢です。

エネルギー省オークリッジ国立研究所のジーク・ウンターバーグ氏と彼のチームは現在、最有力候補であるタングステンの研究を行っている。タングステンは、周期表上のすべての金属の中で最も高い融点と最も低い蒸気圧を持ち、非常に高い引張強度を備えている。長期間の虐待に適した性質を持っています。彼らは、軽い原子を太陽の核よりも高い温度まで加熱して核融合してエネルギーを放出する装置である核融合炉内でタングステンがどのように機能するかを理解することに焦点を当てています。核融合炉内の水素ガスは、部分的にイオン化したガスからなる物質の状態である水素プラズマに変換され、その後、強力な磁場またはレーザーによって小さな領域に閉じ込められます。

「数日間しか持続しないものを原子炉に入れたくありません」と、ORNL の核融合エネルギー部門の上級研究員であるウンターバーグ氏は言います。「あなたは十分な寿命を持ちたいと思っています。私たちは、非常に高いプラズマ衝撃が予想される地域にタングステンを配置しています。」

2016年、ウンターバーグ氏とチームは、サンディエゴにあるDOE科学局のユーザー施設であるDIII-D国立核融合施設で、磁場を使用してプラズマのリングを封じ込める核融合炉であるトカマクでの実験を開始した。彼らは、プラズマ自体をひどく汚染することなく、トカマクの真空室を装甲し、プラズマの影響による急速な破壊から保護するためにタングステンを使用できるかどうかを知りたいと考えていました。この汚染が十分に管理されていない場合、最終的には核融合反応が消滅する可能性があります。

「私たちは、チャンバー内のどの領域が特に悪くなるかを特定しようとしていました。タングステンがプラズマを汚染する可能性のある不純物を生成する可能性が最も高い領域です」とウンターバーグ氏は語った。

それを見つけるために、研究者らはタングステンの濃縮同位体である W-182 と未修飾同位体を使用して、ダイバータ内からのタングステンの浸食、輸送、再堆積を追跡しました。プラズマと不純物の方向を変えるように設計された真空チャンバー内の領域であるダイバーター内でのタングステンの動きを観察することで、タングステンがトカマク内の表面からどのように侵食され、プラズマと相互作用するのかをより明確に把握することができました。濃縮タングステン同位体は、通常のタングステンと同じ物理的および化学的特性を持っています。DIII-Dでの実験では、濃縮同位体でコーティングされた小さな金属インサートを、最も高い熱流束ゾーン（通常はダイバータの遠目標領域と呼ばれる容器内の領域）の近くではなく、その近くに設置して使用した。これとは別に、最も高い流束を伴うダイバータ領域、つまりストライクポイントでは、研究者らは未修飾の同位体を含むインサートを使用しました。DIII-D チャンバーの残りの部分はグラファイトで装甲されています。

この設定により、研究者らは、船の装甲への、または装甲からの不純物の流れを測定するためにチャンバー内に一時的に挿入された特別なプローブでサンプルを収集することができ、ダイバータからチャンバー内に漏れたタングステンがどこに付着したかをより正確に把握できる可能性があります。起源となった。

「濃縮同位体を使用することで、ユニークな指紋が得られました」とウンターバーグ氏は語った。

これは、核融合装置で行われた最初の実験でした。1 つの目標は、プラズマと材料の相互作用によって生じる不純物を主にダイバータ内に抑え、核融合を生成するために使用される磁石で閉じ込められた炉心プラズマを汚染しないようにしながら、チャンバー装甲に最適な材料とこれらの材料の配置を決定することでした。

ダイバータの設計と動作に伴う問題の 1 つは、エッジ局在モード (ELM) によって引き起こされるプラズマ内の不純物汚染です。太陽フレアに似たこれらの高速で高エネルギーの現象の中には、ダイバーター プレートなどの船のコンポーネントに損傷を与えたり、破壊したりする可能性があるものもあります。ELM の頻度、つまりこれらのイベントが発生する 1 秒あたりの回数は、プラズマから壁に放出されるエネルギー量の指標となります。高周波 ELM が放出するプラズマの量は 1 回あたり少量ですが、ELM の頻度が低い場合は、1 回の噴火ごとに放出されるプラズマとエネルギーが多くなり、損傷の可能性が高くなります。最近の研究では、ペレット注入や非常に小さな磁場を追加するなど、ELM の周波数を制御して増加する方法が検討されています。

Unterberg氏のチームは予想通り、タングステンを高磁束衝突点から遠くに配置すると、エネルギー含有量とイベントごとの表面接触がより高い低周波ELMにさらされた場合に汚染の確率が大幅に増加することを発見した。さらに、研究チームは、このダイバータの遠方ターゲット領域は、一般にストライクポイントよりもフラックスが低いにもかかわらず、SOL を汚染しやすいことを発見しました。これらの一見直感に反する結果は、このプロジェクトに関連した進行中のダイバーター モデリングの取り組みと DIII-D での今後の実験によって確認されています。

このプロジェクトには、プリンストンプラズマ物理研究所、ローレンス・リバモア国立研究所、サンディア国立研究所、ORNL、ジェネラル・アトミックス、オーバーン大学、カリフォルニア大学サンディエゴ校、トロント大学、テネシー大学ノックスビル校とウィスコンシン大学マディソン校は、プラズマと物質の相互作用研究に重要なツールを提供したためです。DOE の科学局 (核融合エネルギー科学) がこの研究を支援しました。

研究チームは今年初めにオンラインのジャーナルに研究結果を発表した核融合.

この研究は、現在フランスのカダラッシュに建設中の欧州共同トーラス（JET）とITER（どちらもダイバータにタングステン装甲を使用している）にすぐに役立つ可能性がある。

「しかし、私たちはITERやJETを超えたものに目を向けています。私たちは未来の核融合炉に目を向けています」とウンターバーグ氏は語った。「どこにタングステンを入れるのが最適で、どこにタングステンを入れてはいけないのか？私たちの最終的な目標は、核融合炉が完成したときに賢明な方法で装甲することです。」

ウンターバーグ氏は、実験に役立つ形にする前に濃縮同位体コーティングを開発、テストしたORNL独自の安定同位体グループのおかげで研究が可能になったと述べた。同位体は、同位体分離されたほぼすべての元素の備蓄を維持しているORNLの国立同位体開発センター以外では入手できなかったであろう、と同氏は述べた。

「ORNLは、この種の研究に関して独自の専門知識と特別な要望を持っています」とウンターバーグ氏は語った。「私たちは同位体を開発し、それを世界中のあらゆる種類の研究でさまざまな用途に使用してきた長い伝統を持っています。」

さらに、ORNL は米国 ITER を管理しています。

次に研究チームは、異なる形状のダイバータにタングステンを入れることが炉心の汚染にどのような影響を与えるかを調査する予定だ。ダイバータの形状を変えることで、プラズマと物質の相互作用がコアプラズマに及ぼす影響を最小限に抑えることができる、と彼らは理論づけた。磁気閉じ込めプラズマ装置に必要なコンポーネントであるダイバータの最適な形状がわかれば、科学者は実用的なプラズマ反応器に一歩近づくことができます。

「私たちが社会として原子力の実現を望み、次の段階に進みたいと言うなら、核融合が聖杯となるだろう」とウンターバーグ氏は語った。