Flydende lithium på væggene af en fusionsenhed hjælper plasmaet i at opretholde en varm kant

Ny forskning tyder på, at det kan være lettere at bruge fusion som strømkilde, hvis flydende lithium påføres de indvendige vægge af enheden, der huser fusionsplasmaet.

Plasma, den fjerde tilstand af stof, er en varm gas lavet af elektrisk ladede partikler. Forskere ved Department of Energy's Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) arbejder på løsninger til effektivt at udnytte fusionskraften til at tilbyde et renere alternativ til fossile brændstoffer, ofte ved hjælp af enheder kaldet tokamaks, som begrænser plasma ved hjælp af magnetiske felter.

"Formålet med disse enheder er at begrænse energien," sagde Dennis Boyle, en forskningsfysiker ved PPPL. "Hvis du havde meget bedre energibegrænsning, kunne du gøre maskinerne mindre og billigere. Det ville gøre det hele meget mere praktisk og omkostningseffektivt, så regeringer og industri ønsker at investere mere i det."

De nye resultater, som blev fremhævet i en nylig inviteret præsentation af Boyle på et møde i American Physical Society Division of Plasma Physics, er en del af laboratoriets Lithium Tokamak Experiment-Beta (LTX-β). Relateret forskning er også publiceret i tidsskriftet Nuclear Materials and Energy .

I de seneste eksperimenter har en belægning af flydende lithium tilsat indersiden af ​​tokamak-væggen hjulpet plasmaet med at forblive varmt ved kanten. At opretholde en varm kant er nøglen til deres unikke tilgang, som forskerne håber en dag vil bidrage til design af et fusionskraftværk. Tidligere LTX-β-eksperimenter undersøgte faste lithiumbelægninger og fandt ud af, at de kunne forbedre et plasma. Forskerne var glade for, at de kunne give lignende resultater med flydende lithium, da det er bedre egnet til brug i en tokamak i stor skala.

Richard Majeski, en administrerende hovedforskningsfysiker ved PPPL og leder af LTX-β, bemærkede, at en af ​​de største udfordringer ved at udvikle fusionsenergi er at bygge en levedygtig væg til den enhed, der begrænser plasmaet. PPPL er dedikeret til at finde løsninger på denne og andre udfordringer for at hjælpe med at bygge bro over hullerne i at bringe fusionsenergi til elnettet.

"Selvom LTX-β er en meget beskeden størrelse sfærisk tokamak, er det den første og stadig den eneste plasmaindeslutningsanordning i verden med en kerneplasma fuldstændig indeholdt af en flydende lithiumvæg," sagde Majeski. "Resultaterne fra LTX-β har været meget lovende - flydende lithium giver ikke kun en væg, der kan modstå kontakt med et 2 millioner graders plasma, det forbedrer faktisk plasmaets ydeevne."

Det flydende lithium kan reducere behovet for reparationer og fungere som et skjold for enhedens indre vægge, når de udsættes for den ekstreme varme fra plasmaet.

Det flydende lithium absorberede omkring 40% af de hydrogenioner, der undslap fra plasmaet, så færre af disse partikler blev recirkuleret tilbage i plasmaet som en relativt kold neutral gas. Forskere omtaler dette som et miljø med lavt genanvendelse, fordi mange af de hydrogenioner, der udstødes fra plasmaet, ikke genbruges tilbage i det på en måde, der ville afkøle plasmakanten.

I sidste ende betød dette miljø med lavt genanvendelse, at temperaturen ved kanten af ​​plasmaet var tættere på temperaturen i plasmaets kerne. Denne ensartethed af temperaturen skulle gøre det muligt for plasmaet at begrænse varme bedre, end det sandsynligvis ville have uden det flydende lithium ved at undgå en række ustabiliteter.

Det flydende lithium tillod også en stigning i plasmatætheden, når en stråle af neutrale højenergipartikler blev injiceret for at opvarme og brænde plasmaet. Med fast lithium blev der kun påvist en lille densitetsforøgelse. Når den neutrale stråle blev brugt, skubbede de tilsatte hydrogenioner hydrogenioner ud, der allerede var i plasmaet i en proces kendt som ladningsudveksling.

Forskerne mener, at den vigtigste forskel skyldes en lille mængde lithium, der fordampede fra reaktorens væskevægge og kom ind i plasmaet. Denne lithiumurenhed i plasmaet ændrede dynamikken i ladningsudvekslingen og gjorde det muligt for plasmaet at tilbageholde hydrogenioner tilføjet af den neutrale stråle uden at starte andre hydrogenioner ud, hvilket resulterede i en samlet stigning i plasmadensiteten.

"At implementere flydende lithiumvægge i en meget større tokamak vil være vanskeligt og dyrt. For at komme trygt videre med flydende lithiumvægge i en fremtidig fase af NSTX-U er sonderende eksperimenter i mindre skala afgørende. LTX-β er netop det eksperiment," sagde Majeski.

Flere oplysninger: A. Maan et al., Forbedret neutral kontrol og plasmadensitetskontrol med stigende lithiumvægbelægninger i Lithium Tokamak Experiment-β (LTX-β), Nuklear Materials and Energy (2023). DOI:10.1016/j.nme.2023.101408

Leveret af Princeton Plasma Physics Laboratory