First divertor exposure experiments of a renewable boron pebble aggregate in DIII-D

Resumo Técnico: Primeiros Experimentos de Exposição de Divertor de Agregado de Pedregulhos de Boro Renováveis no DIII-D

Definição do Problema
As futuras centrais de energia de fusão (FPPs) enfrentam fluxos extremos de calor e partículas localizados no ponto de impacto externo do divertor (OSP), podendo atingir 40 MW m⁻² em regime estacionário e centenas de MW m⁻² durante transientes. Os projetos atuais que dependem de componentes de face de plasma (PFCs) sólidos fixos, como monoblocos de tungstênio, enfrentam desafios significativos, incluindo fusão, fissuração, formação de bolhas de hélio, longos tempos de ativação e alta retenção de trítio. Além disso, a erosão de sólidos fixos leva à redeposição e ao acúmulo de escória, reduzindo a vida útil operacional. Embora os conceitos de parede renovável ofereçam uma solução potencial, iterações anteriores usando carbono vítreo mostraram-se promissoras, mas sofrem com alta retenção de trítio. O boro é uma alternativa atraente devido ao seu baixo número atômico (Z) e menor retenção de trítio em comparação ao carbono; no entanto, pedregulhos de boro sinterizados são propensos à fusão e à liberação de poeira sob altas cargas térmicas. Este estudo aborda a lacuna no entendimento de como um agregado de pedregulhos de boro renovável se comporta sob condições reais de divertor de tokamak.

Metodologia
O estudo utilizou o tokamak DIII-D para conduzir os primeiros experimentos de exposição de um agregado de pedregulhos de boro no divertor.

• Fabricação da Amostra: Hastes (1 cm de diâmetro) foram fabricadas a partir de pedregulhos de boro amorfo sinterizados (~2 mm de diâmetro, densidade ~1,1 g cm⁻³) unidos por um forte ligante à base de carbono entre os pedregulhos. Este ligante foi selecionado por sua confiabilidade, embora se note que ligantes à base de carbono introduzem preocupações de retenção de trítio.
• Configuração Experimental: Uma única haste protuberante foi montada no Sistema de Avaliação de Materiais de Divertor (DiMES) na prateleira inferior do divertor. A amostra foi eletricamente isolada usando um invólucro de nitreto de boro (BN) para medir a corrente líquida.
• Condições de Plasma: Os experimentos foram conduzidos em plasmas de modo L com campo magnético toroidal reverso (2,1 T) em configuração de nulo único inferior (LSN) para evitar Modos Localizados na Borda (ELMs). A Injeção de Feixe Neutro (NBI) forneceu ~3,5 MW e o aquecimento Ôhmico ~0,5 MW, resultando em fluxos de calor paralelo incidentes ($q_{\parallel}$) de até 80 MW m⁻² na haste única.
• Diagnósticos: O Ponto de Impacto Externo (OSP) foi varrido duas vezes sobre a amostra durante descargas de alta potência. Foram utilizados diagnósticos como:
  • Espectrômetro de Divertor de múltiplas cordas (MDS) para emissão visível de alta resolução (B-II em 412 nm).
  • Câmeras de TV do DiMES para imagem visível e análise de estria (streak analysis).
  • Sondas de Langmuir e Espalhamento de Thomson para temperatura eletrônica ($T_e$) e densidade ($n_e$).
  • Espectroscopia de Recombinação de Troca de Carga (CER) para concentrações de B⁵⁺ e C⁶⁺ no núcleo.
  • Imagem de infravermelho (IR) para estimativa de temperatura.
  • Pesagem pós-morte e coleta de partículas para medir a perda de massa e recuperar detritos locais.

Principais Resultados

• Perda de Massa e Recuperação: Cinco disparos foram analisados em duas amostras. As perdas de massa totais variaram de 23 mg a 240 mg, dependendo do número de varreduras. Aproximadamente 50% da massa perdida foi recuperada localmente como partículas de tamanho milimétrico (pedaços e aglomerados). Os outros ~50% foram perdidos, presumivelmente como poeira para o plasma e o vaso de vácuo.
• Mecanismos de Erosão:
  • Emissão de Poeira: O mecanismo de erosão dominante foi a emissão de poeira. A imagem de B-II revelou que a emissão filamentar (plumas de ablação de poeira) foi dois ordens de magnitude mais forte que a emissão local (atribuída ao sputtering físico).
  • Sputtering vs. Sublimação: O sputtering físico foi estimado como sendo >100 vezes menor que a taxa de emissão total. As taxas de sublimação, estimadas via imagem IR, foram seis ordens de magnitude menores que a emissão total.
  • Taxa de Recessão: A taxa de recessão da superfície seguiu uma tendência exponencial com o fluxo de calor incidente ($\nu = \nu_0 \exp(q/q_c)$), com $\nu_0 \approx 0,06$ mm/s e $q_c \approx 12$ MW/m². Essa tendência foi consistente com testes de bancada a laser anteriores, sugerindo comportamento semelhante para cargas de incidência normal e oblíqua.
• Interação com o Plasma:
  • Fonte de Ionização: A emissão de poeira forneceu a fonte dominante de ionização de boro no OSP. Estimativas preliminares sugerem que apenas cerca de 12% da perda de massa total foi ionizada no OSP antes de escapar; o restante provavelmente escapou sem ionização ou foi perdido como poeira.
  • Desempenho do Núcleo: Apesar de uma fonte significativa de boro (as concentrações de núcleo de B⁵⁺ subiram para níveis comparáveis a C⁶⁺), o desempenho do plasma do núcleo permaneceu amplamente inalterado. Isso se alinha com experimentos anteriores de injeção de partículas de boro no DIII-D.
• Características das Partículas: As partículas recuperadas das exposições do divertor eram irregulares e de tamanho milimétrico, indicando fusão e aglomeração. Em contraste, as partículas dos testes de bancada a laser eram predominantamente esféricas e de ~40 µm de tamanho. As velocidades de ejeção da poeira foram estimadas em ~40 m/s.

Significância e Alegações
O artigo apresenta a primeira aplicação bem-sucedida do conceito de haste de pedregulhos em um ambiente de divertor de tokamak. A principal significância reside em demonstrar que:

1. Agregados de pedregulhos de boro podem suportar cargas térmicas de até 80 MW m⁻², embora com perda de massa significativa.
2. O mecanismo de perda de massa é dominado pela emissão de poeira, em vez de sputtering ou sublimação, um achado consistente com testes de bancada a laser de fluxo mais baixo.
3. Apesar da alta emissão de poeira e de uma grande fonte de boro, o desempenho do plasma do núcleo não foi adversamente afetado, apoiando o potencial do boro como um material de PFC de baixo Z.

No entanto, os autores concluem modestamente que a configuração específica do material testado — boro amorfo sinterizado com um ligante de carbono — ainda não é adequada para FPPs devido à emissão excessiva de poeira e à necessidade de recuperação de quase 100% do material local. O artigo identifica que o trabalho futuro deve focar em:

• Desenvolver métodos de fabricação para pedregulhos de boro usando formas menos suscetíveis à liberação de poeira (por exemplo, boro cristalino, embora atualmente difícil de usinar).
• Melhorar o design do ligante para garantir a liberação do pedregulho antes da fusão e para eliminar ligantes à base de carbono para reduzir a retenção de trítio.
• Refinar o design do agregado para minimizar a emissão de poeira sob altas cargas térmicas.

O estudo confirma a viabilidade do conceito de agregado de pedregulhos renovável em princípio, mas destaca os desafios críticos de engenharia que permanecem na formulação de materiais e no controle de poeira para aplicações práticas em reatores.