Pour développer un système pratique de puissance de fusion, les scientifiques doivent bien comprendre comment le carburant du plasma interagit avec son environnement. Le plasma est surchauffé, ce qui signifie que certains des atomes impliqués peuvent frapper la paroi du récipient de fusion et être intégrés. Pour que le système fonctionne efficacement, il est important de savoir combien de carburant pourrait être piégé.
« Le moins de carburant est piégé dans le mur, moins les matières radioactives se renforcent », a déclaré Shota Abe, physicien de recherche du personnel au US Department of Energy (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL).
Abe est le chercheur principal d'une étude publiée dans Matériaux et énergie nucléaires. L'étude examine spécifiquement la quantité de deutérium – ce qui est l'un des meilleurs carburants pour la fusion – il est peut-être coincé dans les murs en graphite enrobés de bore d'un récipient de fusion en forme de pâte connue sous le nom de tokamak. Le bore est utilisé dans certains systèmes de fusion expérimentaux pour réduire les impuretés plasmatiques. Cependant, les chercheurs ne comprennent pas pleinement comment un revêtement de bore pourrait avoir un impact sur la quantité de carburant de fusion qui laisse le plasma et se fait intégrer dans les parois des vaisseaux.
« Comprendre comment les revêtements de bore peuvent interagir avec le deutérium peuvent nous aider à améliorer les matériaux pour les futures centrales de fusion, comme Iter », a déclaré Abe. Iter est l'installation multinationale sous assemblage en France, qui étudiera le plasma qui peut se chauffer et maintenir ses propres réactions de fusion.
En plus des chercheurs de PPPL, une équipe importante d'experts d'institutions à travers le pays a contribué à la nouvelle étude sur la rétention des carburants, y compris des chercheurs de l'Université de Princeton, de l'Université de Californie-San Diego, de General Atomics, de l'Université du Tennessee et de Sandia National Laboratoires. Leur travail de pointe est d'une importance cruciale pour faire de la fusion une source d'électricité viable à l'échelle commerciale.
Deuterium est également pour le tritium dans les expériences
Dans un système de fusion commercial, le carburant sera probablement fait de deutérium et de tritium, qui sont tous deux des formes d'hydrogène. Le tritium est radioactif, mais le deutérium ne l'est pas. Ainsi, les expériences ont utilisé le deutérium comme remplaçant pour le tritium, car ils sont similaires à bien des égards. Mais Tritium est un élément qui doit être soigneusement géré dans les systèmes de fusion à l'échelle commerciale.
« Il y a des limitations très strictes sur la quantité de tritium peut être dans un appareil à tout moment. Si vous dépassez cela, alors tout s'arrête, et la licence est supprimée », a déclaré Alessandro Bortolon, un physicien principal de la recherche principale de PPPL qui également contribué au travail. « Donc, si vous voulez avoir un réacteur fonctionnel, vous devez vous assurer que votre comptabilité de Tritium est exacte. Si vous dépassez la limite, c'est un showstopper. »
Fait intéressant, les chercheurs disent que la principale cause du carburant piégé n'est pas le revêtement de bore. C'est du carbone. Même de petites quantités de carbone ont augmenté la quantité de carburant de deutérium piégé dans les échantillons pendant l'expérience. Ces échantillons de films de bore ont été créés en utilisant un plasma fait d'un gaz contenant du bore et du deutérium (ainsi qu'avec certaines impuretés) dans Diii-D, un tokamak chez General Atomics.
Le carbone et le boron peuvent se lier si étroitement au deutérium qu'il faudrait des températures d'environ 1000 ° F pour briser la liaison, ce qui rend très difficile de retirer le carburant sans endommager le système de fusion.
« Le carbone est vraiment le fauteur de troubles », a déclaré le physicien du personnel de la recherche PPPL, Florian Effenberg, qui est également co-auteur du journal. « Le carbone doit être minimisé. Bien que nous ne puissions pas le mettre à zéro, nous utilisons tous les moyens que nous devons réduire autant que possible la quantité de carbone. »
En fait, l'exposition à un plasma avec de petites quantités de contamination au carbone a augmenté de manière significative la quantité de deutérium. Les chercheurs ont constaté que pour cinq unités de bore piégées dans un échantillon, deux unités de deutérium étaient piégées.
Carreaux de graphite à échanger
Le système de fusion DIII-D a été utilisé dans les expériences et a actuellement des murs en graphite, une forme de carbone. « Nous voulons nous débarrasser de tout le carbone et avoir des murs de tungstène propres », a déclaré Effenberg, pour s'assurer que les calculs sont encore plus proches de ce qui sera vécu dans Iter.
L'une des forces de la recherche est que certains échantillons ont été exposés au plasma dans le vaisseau de fusion Diii-D. La machine est l'un des nombreux tokamaks expérimentaux qui fonctionnent à l'aide de champs magnétiques pour maintenir le plasma en forme de beignet. Étant donné que la recherche suggère que même des traces de carbone peuvent augmenter considérablement la quantité de tritium coincée dans les parois d'un tokamak, les résultats pourraient avoir des implications importantes pour respecter les limites réglementaires dans les futures centrales de fusion.
Les autres chercheurs du projet incluent Michael Simmonds, Igor Bykov, Jun Ren, Dmitry L. Rudakov, Ryan Hood, Alan Hyatt, Zihan Lin et Tyler Abrams.
