Fysikere opdager, at lithiumoxid på tokamak-vægge kan forbedre plasmaydelsen

Lithiumforbindelser forbedrer plasmaydelsen i fusionsenheder lige så godt som rent lithium gør, har et hold fysikere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) fundet.

Forskningen blev udført af den tidligere fysikstuderende ved Princeton University, Matt Lucia, under vejledning af Robert Kaita, ledende forskningsfysiker ved PPPL og en af ​​Lucias specialevejledere, samt holdet af forskere, der arbejder på en maskine kendt som Lithium Tokamak Experiment (LTX). Som en del af hans afhandling, Lucia undersøgte, hvordan lithium aflejret på vægge af doughnut-formede fusionsmaskiner kendt som tokamaks påvirkede ydeevnen af ​​LTX. Ligesom plasmaet i en tokamak, plasmaet i LTX er formet som en doughnut. Plasmaet, en suppe af ladede partikler, er omgivet af en kobberskal med en indervæg lavet af rustfrit stål.

Lucia brugte en ny enhed kendt som Materials Analysis and Particle Probe (MAPP), opfundet ved University of Illinois i Urbana-Champaign og installeret på LTX. MAPP-systemet lader forskere trække prøver ud i et kammer forbundet til LTX og studere dem uden at kompromittere LTX's vakuummiljø. MAPP lader forskere analysere, hvordan tokamak-plasmaer påvirker et materiale umiddelbart efter, at eksperimentet slutter. I fortiden, videnskabsmænd kunne kun studere prøver, efter at maskinen var blevet lukket ned for vedligeholdelse; på det tidspunkt, vakuumet var blevet brudt, og prøverne var blevet udsat for mange eksperimenter, samt til luft.

Lucia brugte fordampningsteknikken til at belægge et stykke metal med lithium, og brugte derefter MAPP til at udsætte metallet for plasma i LTX. Som han forventede, Lucia observerede lithiumoxid, som dannes, når lithium reagerer med resterende ilt i LTX's vakuumkammer. Han var overrasket, imidlertid, at finde ud af, at forbindelsen var lige så i stand til at optage deuterium, som ren lithium var.

"Matt opdagede, at selv efter at lithiumbelægningen fik lov til at sidde på de plasma-vendte komponenter i LTX og oxidere, det var stadig i stand til at binde brint, " sagde Kaita.

"For en stund, vi tænkte, at du skulle have højrent lithium, fordi vi troede, at hvis lithiumet allerede har en dansepartner – ilt – så vil det ikke danse med brint, " sagde Mike Jaworski, forskningsfysiker ved PPPL og medforfatter til papiret. "Vi troede, at når det først var oxideret, lithium ville være kemisk inert. Men faktisk fandt vi ud af, at lithium vil tage alle de dansepartnere, det kan få."

Lucias resultater er det første direkte bevis på, at lithiumoxid dannes på tokamak-vægge, og at det bevarer brintisotoper, ligesom rent lithium gør. De understøtter iagttagelsen af, at lithiumoxid kan dannes på både grafit, ligesom fliserne i NSTX, og på metal, og forbedre plasma ydeevne.

Resultaterne understøtter tidligere resultater, der involverer PPPL's ​​National Spherical Torus Experiment (NSTX), en tokamak. I 2010, videnskabsmænd placerede en stor metalring belagt med lithium på gulvet i NSTX's vakuumbeholder. Denne enhed, kendt som Liquid Lithium Divertor (LLD), var det første forsøg på at skabe en stor lithium-belagt metaloverflade inde i NSTX. Senere, efter at NSTX-diverteren var blevet udsat for resterende ilt i vakuumbeholderen, videnskabsmænd studerede aflederens overflade. Forskerne opvarmede aflederen og opdagede deuterium. Fundet antydede, at deuterium var blevet fanget af lithiumoxidet i LLD, men beviserne var ikke endelige.

Disse nye resultater indikerer, at lithium i tokamaks måske ikke behøver at være så rent, som engang troede. De viser også, at hvis kulstoffliserne i NSTX, nu National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), er erstattet med metalfliser og belagt med lithium, plasmaydelsen bør ikke falde. "Nøglen er, at vi kan blive ved med at bruge lithiumfordampning, hvis vi går til metalvægge i NSTX-U, " sagde Kaita.

Holdet skal lave mere forskning for at afgøre, om disse resultater vil gælde for fremtidige plasmamaskiner, som kan have flydende flydende metalvægge, der kan indeholde både lithium og lithiumoxid. "Hvis vi vil ekstrapolere vores resultater til en fusionsreaktor, vi er nødt til at spørge, om eksperimenterne er vejledende for den præstation, vi kunne forvente i fremtiden, " sagde Jaworski. Det næste trin i denne forskning ville indebære at måle præcist hydrogenretentionshastigheden af ​​både rent og oxideret lithium, og sammenligne dem nøje.

Resultaterne blev vist i april 2017-udgaven af Fusionsteknik og design . Forskningen blev finansieret af DOE Office of Science (Fusion Energy Sciences).