Forskere foreslår lithium til at klare højrisikotilstande i fremtidige fusionsfaciliteter

Den måske største teknologiske udfordring for at høste på Jorden af ​​den fusionsenergi, der driver solen og stjernerne i fremtidige tokamak-fusionsreaktorer, vil være at kontrollere den ekstreme varme, der kan ramme udstødningssystemet inde i enhederne. En sådan varmestrøm, eller flux, kunne alvorligt beskadige væggene på diverteren i hjertet af udstødningssystemet og lukke ned for fusionsreaktioner i de doughnutformede faciliteter.

Forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har lavet en plan ved hjælp af flydende lithium for at forhindre, at den fulde kraft af den ekstreme varme rammer aflederen og vil sætte tokamakkerne i stand til at fortsætte. "Der vil komme en advarsel, og hvis du kan fange det og implementere en løsning hurtigt nok, kan du forhindre hændelsen i at beskadige afledningsvæggen, "sagde fysikeren Masayuki Ono, hovedforfatter til et papir i Journal of Fusion Energy, der skitserer en foreslået løsning.

Fusionsreaktioner kombinerer lette elementer i form af plasma - det varme, ladet tilstand af stof sammensat af frie elektroner og atomkerner, der udgør 99 procent af det synlige univers - for at generere enorme mængder energi. Fysikere over hele verden søger at reproducere og kontrollere sådanne reaktioner for at skabe et sikkert, ren og praktisk talt uudtømmelig strømforsyning til at generere elektricitet.

Enorme lagret energi

Problemet opstår, fordi den energi, der er lagret i kernen af ​​plasmaet, der skal brænde fremtidige tokamaks, forventes at være 1, 000 gange større end i faciliteter, der bruges i dag. Hvis bare 1% af den lagrede energi blussede ud af kernen i en fremtidig reaktor og nåede afledningen, skaden kan være omfattende, sagde Ono. En sådan hændelse kan være forårsaget af opblussen som edge-localized modes (ELM'er), hvor intense varmeudbrud kan slå ind i en tokamaks plasma-vendte vægge. Det foreslåede middel, udtænkt med medforfatter Roger Raman, en fysiker fra University of Washington på langvarig opgave til PPPL, opfordrer til injektion af piller af lithium, et let sølvfarvet metal, ind i omlederen i hjertet af udstødningsområdet, hvor lithium ville blive flydende og udstråle kraftigt. Strålingen ville sprede meget af den ekstreme varme, der undslipper fra kernen af ​​plasmaet, og ville minimere mængden, der rammer afledningsvæggen.

"Idéen er at injicere lette urenheder såsom lithium, bor, eller beryllium ind i omlederområdet for at udstråle meget af energien, "Ono forklarede." Tricket vil være at gå hurtigt nok ind for at beskytte afledningen med meget lidt stråling, der påvirker plasmakernen. Du ønsker ikke at injicere for meget urenhedsmateriale - bare nok til at gøre jobbet."

Forskere injicerer i øjeblikket lithium i tokamaks med enkle, billige teknologier såsom gaspistolinjektorer og et system baseret på skovlhjul, der kontinuerligt injicerer en strøm af partikler. Imidlertid, Ono og Raman siger, at gaspistoler har en tendens til at sprøjte en ladning gas ind i vakuumkammeret, der huser kerneplasmaet, som kan give problemer.

Højhastigheds-injektor

Forfatterne foreslår at erstatte gaspistoler med en "elektromagnetisk partikelinjektor", der ligner en, som Raman har udviklet ved University of Washington. "Det er især vigtigt at undgå unødvendig gasbelastning med en kontrolleret hurtig responstid, " sagde Raman. Det foreslåede koncept vil forblive i standby-tilstand, indtil det er nødvendigt, og derefter ville injicere den strålingsnyttelast på en hurtig tidsskala.

Advarsler om ekstrem varmestrøm kan komme fra de pludselige lysglimt, som varmeudbrud ville skabe ved kanten af ​​plasmaet. Sådanne udbrud kan nå omlederen på omkring 10 millisekunder. Den elektromagnetiske partikelinjektor ville hurtigt affyre et højhastighedsprojektil ind i omlederområdet for at udstråle den fremadstormende varmeflux.

Forskere har tidligere påført flydende lithium gennem en anden teknik til kanten af ​​plasmaet i National Spherical Torus Experiment (NSTX), forløberen for National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), den nuværende flagskibsfusionsfacilitet hos PPPL, og fandt, at metallet reducerede peak divertor varmefluxen. Forfatterne foreslår nu at teste anvendelsen af ​​lithium med en elektromagnetisk injektor på NSTX-U, når anlægget bliver tilgængeligt efter at have afsluttet igangværende reparationer.

Hvis denne test er vellykket, applikationen kan derefter testes på fremtidige tokamaks såsom ITER, den internationale tokamak under udvikling i Frankrig. "Dette er en hård udfordrende problem, "Ono sagde om at kontrollere ekstrem varmeflux." Det er et langdistanceproblem, og vi ville være kloge at sikre, at vi har måder at minimere påvirkningen på. "