Lithium – det er ikke kun til batterier:Det pulveriserede metal kan reducere ustabilitet i fusionsplasmaer

Du er måske mest bekendt med elementet lithium som en integreret komponent i din smartphones batteri, men elementet spiller også en rolle i udviklingen af ​​ren fusionsenergi. Når det bruges på wolframoverflader i fusionsenheder, lithium kan reducere periodiske ustabiliteter i plasma, der kan beskadige reaktorvæggene, videnskabsmænd har fundet.

Resultaterne, demonstreret af forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) og samarbejdspartnere på Kinas Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) fandt ud af, at lithiumpulver kan eliminere ustabilitet kendt som edge-localized modes (ELM'er), når det bruges til at belægge en wolfram plasma-vendende komponent kaldet "divertor" - den enhed, der udleder spildvarme og partikler fra plasma, der brænder fusionsreaktioner. Hvis efterladt alene, sådanne ustabiliteter kan beskadige omlederen og få fusionsreaktioner til at bruse.

Resultaterne er gode nyheder for fremtidige enheder, der planlægger at bruge wolfram til deres egne omledere, der er designet til at arbejde med lithium.

Tidligere eksperimenter med lithiumpulver på EAST har bekræftet metallets evne til at eliminere eller reducere frekvensen og intensiteten af ​​periodiske udbrud af ELM'er, der opstår i yderkanten af ​​plasmaer, der kan beskadige divertoren. ELM'er udvikler sig regelmæssigt, når plasmaet går ind i en højenergitilstand kendt som high-confinement mode, eller H-tilstand, som holder varmen i plasmaet mere effektivt. ELM'er kan også frigive store mængder varme, der beskadiger de plasma-vendende komponenter og frigiver eroderet materiale, der kan trænge ind i plasmaet og afkøle fusionsreaktionerne.

Under tidligere forsøg, EASTs øvre og nedre omledere var belagt med let og porøst kulstof i stedet for tungmetallet wolfram. "Så, Spørgsmålet var, om lithium vil have samme effekt på wolframvægge som på kulstofvægge, " sagde PPPL fysiker Rajesh Maingi, hovedforfatter med Jiansheng Hu fra Institute of Plasma Physics ved det kinesiske videnskabsakademi (ASIPP) til en artikel, der beskriver resultaterne i tidsskriftet Kernefusion .

Spørgsmålet var i tvivl, fordi nyere forskning på andre doughnut-formede tokamaks, såsom Axi-Symmetric Divertor Experiment-Upgrade (ASDEX-U) i Tyskland, har foreslået, at plasma-vendte komponenter lavet af wolfram faktisk reducerer lithiumbelægningens evne til at kontrollere ELM'er. Lithium blev injiceret i ASDEX-U via store hurtige pellets, sammenlignet med lithiumpulveret, der blev injiceret gravitationsmæssigt i EAST-forsøgene.

I de seneste eksperimenter, forskere manipulerede plasmaet i EAST, så det opbrugte sin spildvarme på den øverste af de to omledere i tokamak. I modsætning til den nederste omleder, som var lavet af kulstof, den øverste omleder er fremstillet af wolfram.

Resultaterne viste, at lithium indsprøjtet i plasma i kontakt med wolfram reducerer ELM'er lige så meget, som lithium gør, når plasmaet udtømmer sin varme på kulstof. Fysikere har nu øget tilliden til, at de teknikker, der bruges til at reducere ELM'er i nuværende fusionsmaskiner, vil være i stand til at reducere ELM'er i større maskiner i fremtiden, så længe de er designet til at være kompatible med lithium.

Forskerholdet bemærkede, at det blev lettere at eliminere ELM'er, efterhånden som eksperimenterne skred frem, tyder på, at eliminering kunne kræve mindre lithium som tiden gik. Forskere vil derfor gerne finde en måde at regulere, hvor meget lithium der sprøjtes ind i plasmaet, måske reducere injektionshastigheden, når ELM'erne er forsvundet for at kontrollere lithiumbeholdningen og optimere plasmaets ydeevne.