Элементные исследования: ученые применяют бор к вольфрамовым компонентам в термоядерных установках

  • Пользователь Алексей Коровин опубликовал
  • 6 января 2023 г., 11:32:22 MSK
  • 0 комментариев
  • 58 просмотров
Ученые провели исследование, показывающее, что порошковая капельница может успешно сбрасывать порошок бора в высокотемпературную плазму внутри токамаков, детали которых изготовлены из термостойкого материала, известного как вольфрам.

Какова связь между бором, элементом в обычном бытовом чистящем средстве, и токамаками, кольцевыми термоядерными установками, которые нагревают топливо до температуры в миллион градусов? Ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы Министерства энергетики США (DOE) провели исследование, показывающее, что порошковая капельница, разработанная PPPL, может успешно сбрасывать порошок бора в высокотемпературную плазму внутри токамаков, детали которых изготовлены из термостойкого материала, известного как вольфрам. Ученые хотят подтвердить, что они могут использовать этот процесс для нанесения бора на вольфрамовые детали, потому что голые вольфрамовые стенки могут снизить производительность плазмы, если плазма повредит вольфрам.

Из-за своей высокой температуры плавления вольфрам все чаще используется в токамаках, чтобы помочь компонентам выдерживать высокую температуру процесса плавления. Бор частично экранирует вольфрам от плазмы и предотвращает утечку вольфрама в плазму; он также поглощает любые посторонние элементы, такие как кислород, которые могут находиться в плазме из других источников. Эти нежелательные примеси могли бы охладить плазму и погасить термоядерные реакции.

"Нам нужен способ нанесения борных покрытий без отключения магнитного поля токамаков, и это то, что позволяет нам делать порошковая капельница", - сказал Грант Боднер, постдокторант PPPL, который был ведущим автором исследовательской статьи, сообщающей о результатах в Ядерный синтез. Исследование проводилось с использованием среды W в стационарном токамаке (ЗАПАД), эксплуатируемом Комиссией по атомной энергии Франции (CEA). "WEST - одна из немногих полностью вольфрамовых сред, которая может помочь нам протестировать эту технологию при длительных импульсах", - сказал Боднер.

Еще одна причина, по которой физики проводили свои эксперименты с использованием WEST, заключается в том, что его магниты изготовлены из сверхпроводящего материала, который будет использоваться в магнитах внутри будущих термоядерных устройств. Этот материал проводит электричество с небольшим сопротивлением или вообще без него и выделяет мало избыточного тепла, поэтому магниты могут работать без остановки в течение длительных периодов времени, как это придется делать будущим термоядерным реакторам. Магниты создают силы, которые сдерживают плазму, чтобы она могла подвергнуться термоядерному синтезу.

Термоядерный синтез, энергия, которая приводит в движение солнце и звезды, объединяет легкие элементы в форме плазмы - горячего, заряженного состояния вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, - которое генерирует огромное количество энергии. Ученые стремятся воспроизвести термоядерный синтез на Земле для получения практически неисчерпаемого источника энергии для выработки электроэнергии.

Ученым нужен способ пополнять борные покрытия во время работы машин, потому что будущие термоядерные установки не смогут часто останавливаться для повторного нанесения покрытия. "Бросать бор в токамак во время его работы - все равно что убирать свою квартиру, делая все остальные вещи, которые вы обычно в ней делаете", - сказал ученый CEA Альберто Галло, который внес свой вклад в исследование. "Это очень полезно - это означает, что вам не нужно отвлекаться от своих обычных занятий, чтобы заняться уборкой", - сказал он.

Устройство для удаления порошка установлено в верхней части токамака и использует точные приводы для перемещения порошкообразного материала из резервуаров в вакуумную камеру токамака. Этот механизм позволяет исследователям точно устанавливать скорость и продолжительность выпадения порошка, который в других установках для термоядерного синтеза может включать другие материалы, повышающие производительность, такие как литий. "Благодаря такой гибкости капельница потенциально может быть действительно полезной в будущем", - сказал Боднер.

Исследователи были удивлены, обнаружив, что бор, нанесенный капельницей, не только кондиционировал внутренние поверхности вольфрама. "Мы увидели, что когда мы высыпали порошок, удержание плазмы увеличилось, а это означает, что она сохраняет больше тепла, что способствует процессу синтеза", - сказал Боднер.

Увеличенное удержание было особенно полезным, потому что это произошло без перехода плазмы в состояние, известное как H-режим (режим высокого удержания), в котором удержание улучшается, но плазма с большей вероятностью извергается в так называемых краевых локализованных режимах, или ELMS. Эти ВЯЗы отводят тепло из плазмы, снижая эффективность реакций термоядерного синтеза и иногда повреждая внутренние компоненты. "Если мы сможем использовать капельницу для обеспечения хорошего удержания Н-режима без фактического перехода в Н-режим и риска возникновения вязов, это было бы здорово для термоядерных реакторов", - сказал Боднер.

В будущем исследователи хотят протестировать использование капельницы только тогда, когда это необходимо для поддержания хорошей производительности плазмы. "Добавление любых дополнительных примесей, даже бора, может снизить получаемую мощность термоядерного синтеза, потому что плазма становится менее чистой", - сказал Боднер. "Поэтому мы должны попытаться использовать наименьшее количество бора, которое все еще может дать желаемый эффект".

Предстоящие эксперименты будут сосредоточены на том, сколько бора на самом деле покрывает поверхности вольфрама. "Мы хотим измерить эти суммы, чтобы мы могли действительно количественно оценить то, что мы делаем, и расширить эти результаты в будущем", - сказал Боднер.

Среди сотрудников были ученые из CEA, Национальной лаборатории Ок-Риджа и французской политехнической школы. Финансирование было предоставлено Управлением науки Министерства энергетики США (Fusion Energy Sciences).

Комментарии

0 комментариев