Niezwykle precyzyjne obliczenia struktury poziomów energetycznych wolframu pomogą konstruktorom reaktorów termojądrowych

Naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) wykonali niesłychanie precyzyjne obliczenia poziomów energetycznych i przejść kwantowych pomiędzy dziesiątkami tysięcy poziomów energetycznych jonów wolframu - jednego z najważniejszych materiałów konstrukcyjnych przyszłych reaktorów termojądrowych. Ich praca ukazała się w prestiżowym czasopiśmie Atomic Data and Nuclear Data Tables.

Jednym z podstawowych wyzwań przy konstruowaniu reaktorów termojądrowych, takich jak ITER czy DEMO, jest usuwanie z plazmy zbędnych produktów reakcji syntezy jądrowej i odprowadzanie ciepła. Do tego celu służy diwertor - układ zlokalizowany na jednej z wewnętrznych ścian reaktora termojądrowego, w którym - dzięki specjalnej konfiguracji pola magnetycznego - są zakrzywiane tory jonów cięższych pierwiastków „zanieczyszczających’ plazmę. Przekierowane jony grzęzną w specjalnych tarczach, oddając im swoją energię, która odprowadzana jest przez systemy chłodzenia.

„W przypadku reaktora ITER, jako materiał płyty diwertora wybrano wolfram, który jest metalem o najwyższej temperaturze topnienia, ma dużą odporność termiczną i niski współczynnik erozji, a także niską tzw. retencję trytu” - wyjaśnia profesor Jacek Rzadkiewicz, dyrektor Departamentu Aparatury i Technik Jądrowych NCBJ, jeden z dwóch współautorów właśnie opublikowanego artykułu naukowego. „Pomimo niskiego współczynnika erozji jony wolframu mogą migrować do struktur plazmowych, w szczególności tych tworzących się w sąsiedztwie płyty diverora. Spektroskopia atomowa jonów wolframu daje unikalną możliwość poznania właściwości takich struktur plazmowych oraz procesów atomowych prowadzących do ich powstawania. Co więcej, wiedza ta umożliwia kontrolę gęstości mocy w najbliższym sąsiedztwie płyty divertora i tym samym pozwala na zapewnienie bezpiecznej pracy reaktora termojądrowego.”

Praca opublikowana w podstawowym referencyjnym czasopiśmie Atomic Data and Nuclear Data Tables, przygotowana wyłącznie przez autorów z NCBJ, przedstawia wyniki obszernych, benedyktyńskich obliczeń przeprowadzonych dla ponad 27 tysięcy poziomów atomowych jonów ośmiokrotnie zjonizowanych atomów wolframu oraz dla ponad 300 milionów przejść między nimi. „W naszych obliczeniach zastosowaliśmy relatywistyczną wielokonfiguracyjną metodę Diraca-Hartree-Focka” - opowiada dr Karol Kozioł z Zakładu Detektorów i Diagnostyki Plazmy NCBJ. „Bogata struktura spektroskopowa kilkukrotnie zjonizowanych atomów wolframu jest wynikiem możliwości występowania jonów w wielu stanach atomowych, leżących często blisko siebie, między którymi mogą zachodzić różne przejścia radiacyjne (w tym tzw. przejścia wzbronione). Analiza skomplikowanej struktury poziomów energetycznych jonów wolframu wymagała użycia precyzyjnych narzędzi teoretycznych i prowadzenia zaawansowanych analiz, np. analizy wpływu tzw. wirtualnych korelacji elektronowych na energię wzbudzonych stanów atomowych jonów.”

„Przeprowadzone obliczenia w sposób istotny uzupełniają bazę danych spektroskopowych” - dodaje profesor Rzadkiewicz. „Powinny one przyczynić się do dalszego rozwoju diagnostyk rentgenowskich i diagnostyk w zakresie ultrafioletu próżniowego dla struktur plazmowych tworzących się w sąsiedztwie płyty diwerora.”

Synteza termojądrowa to niezwykle obiecujące źródło, czystej, praktycznie niewyczerpalnej energii. Energia w reaktorach termojądrowych nie pochodzi z rozszczepienia ciężkich jąder atomów uranu czy plutonu lecz - podobnie jak w gwiazdach - z łączenia się lekkich jąder izotopów wodoru i helu „podgrzanych” do ogromnych temperatur i utrzymywanych w stanie plazmy. Niestety, mimo kilkudziesięciu lat intensywnych wysiłków międzynarodowych, do tej pory nie udało się przenieść koncepcji reaktora termojądrowego na poziom komercyjnych urządzeń technicznych wytwarzających użytkową energię. Projekt ITER, w którym w czerwcu osiągnięto kolejny kamień milowy (o czym m.in. donosiliśmy w naszych mediach społecznościowych https://www.facebook.com/ncbj.swierk/posts/3459128497453916), przybliża nas do realizacji tej idei. Przyczyniają się do tego naukowcy polscy, także badacze z NCBJ.

Omawiana praca zatytułowana „Theoretical level energies, radiative lifetimes and transitions in W IX” autorstwa Karola Kozieła i Jacka Rzadkiewicza (NCBJ) opublikowana w Atomic Data and Nuclear Data Tables jest dostępna online pod adresem https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092640X20300383

Warto przeczytać: opis układu diwertorów na stronie projektu ITER: https://www.iter.org/mach/Divertor