De første resultater af en opgraderet enhed fremhæver lithiumværdien til fremstilling af fusion

Lithium, det sølvfarvede metal, der driver smartphones og hjælper med at behandle bipolare lidelser, kunne også spille en væsentlig rolle i den verdensomspændende indsats for at høste det sikre på Jorden, ren og praktisk talt ubegrænset fusionsenergi, der driver solen og stjernerne. De første resultater af det omfattende opgraderede Lithium Tokamak Experiment-Beta (LTX-β) ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), demonstrere, at de store forbedringer fungerer som designet og forbedrer ydeevnen af ​​den varme, ladet plasma, der vil brænde fremtidige fusionsreaktorer.

Mere fusionsrelevant

Den tre-årige opgradering forvandlede det, der nu er LTX-β til en varmere, tættere og mere fusionsrelevant enhed, der vil teste, hvor godt belægning af alle plasma-vendende vægge med flydende lithium kan forbedre indeslutningen og øge plasmatemperaturen. "Vi nåede mange af vores oprindelige ingeniørmål, " sagde fysiker Drew Elliott fra Oak Ridge National Laboratory, en stor samarbejdspartner af LTX-β. Elliott, på længerevarende opgave til PPPL, fungerede som hovedforfatter af det første resultatpapir rapporteret i IEEE-transaktioner i plasmavidenskab .

Fusionsreaktioner kombinerer lette elementer i form af plasma - stoffets tilstand sammensat af frie elektroner og atomkerner, der udgør 99% af det synlige univers - for at frigive enorme mængder energi. Fysikere over hele verden søger at duplikere og kontrollere fusionsreaktioner for at skabe grænseløse sikre, kulstoffri strøm til at generere elektricitet.

Nøglefunktioner ved LTX-β, en mindre version af de meget brugte doughnut-formede magnetiske tokamak-faciliteter, der huser fusionsreaktioner, omfatter disse faktorer:En kraftig neutralstråleinjektor til at opvarme og brænde plasmaet; et næsten fordoblet magnetfelt sammenlignet med den tidligere enhed; og et dobbelt fordampningssystem til fuld belægning af flydende lithium på alle plasma-vendende overflader.

Matchede forudsigelser

Betjeningen af ​​strålen stemte godt overens med forudsigelser af den brøkdel af kraft, som den ville afsætte i plasmaet, i stedet for blot at skinne igennem det. "Vi søger at øge kraftafsætningen mod 100%, så al den strøm, vi injicerer, går ind i plasmaet, " sagde Elliott, hvem ledede optimeringen af ​​den neutrale stråle, som er baseret på teknologi, der var banebrydende på ORNL i 1970'erne. "Det vil være et stort videnskabeligt skub, i fremtidige kampagner."

De væsentlige forbedringer sigter mod at teste, om LTX-β kan forbedre plasmaydelsen ud over de bemærkelsesværdige resultater fra sin forgænger. Disse omfatter demonstration af temperaturer, der forbliver konstante, eller flad, hele vejen fra plasmaets varme kerne til den normalt kølige yderkant.

Sådanne gradientfrie temperaturprofiler, den første nogensinde set i et magnetisk fusionsanlæg i den forrige enhed, stammer fra lithiums evne til at holde på herreløse partikler, der siver fra kernen af ​​plasmaet og forhindre dem i at genbruge tilbage og afkøle kanten og kernen af ​​plasmaet. Opretholdelse af den varme kant udvider mængden af ​​plasma, der er tilgængelig til fusion, og produktionen af ​​flad temperatur forhindrer ustabilitet, der reducerer plasmaindeslutning, i at udvikle sig.

Mål med opgraderingen

"Målene med opgraderingen er at afgøre, om lithiumvægge med meget lav genanvendelse kan forbedre plasmaindeslutning i en tokamak med neutral strålevarme, " sagde Dick Majeski, hovedinvestigator for LTX-β. "Hvis LTX-β lykkes, vi kan gå videre til eksperimenter med flydende lithium i National Spherical Torus Experiment-Upgrade [NSTX-U], "Flagskibets fusionseksperiment på PPPL.

Den indledende kørsel af LTX-β viste forbedringer, der omfattede følgende:

• Øget brændstofpåfyldning og tæthed af plasma, hovedmålene for neutralstråleinjektoren;
• Øget aflejring af flydende lithium over mere end 90% af de indre vægge af LTX-β;
• Længere plasmaudladninger, eller pulser, aktiveret af det forstærkede magnetfelt; og
• Højere plasmastrøm - et kritisk element, der får magnetfeltet til at spiral, hvilket er nødvendigt for at begrænse plasmaet.

Også installeret i opgraderingen er ny plasmadiagnostik, der yderligere vil karakterisere anlæggets udvidede driftsregime. Og der skal stadig tages i brug avanceret diagnostik, der vil måle den præcise profil af flere plasmaparametre.

"Tilføjelsen af ​​den neutrale stråle øger indgangseffekten til plasmaet med en størrelsesorden og har potentialet til at skabe et fusionsrelevant plasmaregime med forbedret ydeevne, " sagde Phil Efthimion, leder af PPPL's ​​Plasma Science &Technology Department, der omfatter LTX-β. "Dick Majeski og hele LTX-β-teamet skal have ros for at have gennemført denne aggressive opgradering på budget og tidsplan.

Eksperter i hele USA

Opgraderingen blev trukket fra eksperter over hele USA, herunder samarbejde fra PPPL, ORNL, Princeton University, University of California, Los Angeles (UCLA), og University of Tennessee, Knoxville, og giver et væsentligt værktøj til fusionsforskning.

"ORNL og PPPL har været partnere inden for fusionsvidenskab og teknologi i mange år, og dette fortsætter den stærke forening, " sagde Mickey Wade, direktør for ORNL's Fusion Energy Division. "LTX-β vil give fusionssamfundet mulighed for at grave dybere ned i løftet om lithium, og hvad det kan låse op for at muliggøre praktisk fusionsenergi."

Majeski har store planer forude. "I fremtiden, vi vil gerne øge pulslængden af ​​den neutrale stråle for at give en længere periode med opvarmning og brændstof til plasmaet, " sagde han. "Strålen tilføjer en masse fleksibilitet til eksperimentet, og vi ønsker at udnytte de nye muligheder."