Litiumföreningar förbättrar plasmaprestanda i fusionsenheter lika bra som ren litium gör, ett team av fysiker vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har funnit.

Forskningen genomfördes av den tidigare fysikstudenten Matt Lucia vid Princeton University under ledning av Robert Kaita, huvudforskningsfysiker vid PPPL och en av Lucias avhandlingsrådgivare, liksom teamet av forskare som arbetar på en maskin som kallas Litium Tokamak Experiment (LTX). Som en del av sin avhandling, Lucia undersökte hur litium som deponerades på väggar i munkformade fusionsmaskiner som kallas tokamaks påverkade LTX:s prestanda. Som plasma i en tokamak, plasma i LTX är formad som en munk. Plasma, en soppa av laddade partiklar, är omgiven av ett kopparskal med en innervägg av rostfritt stål.

Lucia använde en ny enhet som kallas Material Analysis and Particle Probe (MAPP), uppfanns vid University of Illinois i Urbana-Champaign och installerades på LTX. MAPP -systemet låter forskare ta ut prover i en kammare som är ansluten till LTX och studera dem utan att äventyra LTX:s vakuummiljö. MAPP låter forskare analysera hur tokamakplasma påverkar ett material omedelbart efter experimentets slut. Förr, forskare kunde bara studera prover efter att maskinen hade stängts av för underhåll; vid det tillfället, vakuumet hade brutits och proverna hade utsatts för många experiment, liksom att lufta.

Lucia använde avdunstningstekniken för att belägga en metallbit med litium, och använde sedan MAPP för att exponera metallen för plasma inom LTX. Som han förväntade sig, Lucia observerade litiumoxid, som bildas när litium reagerar med kvarvarande syre i LTX:s vakuumkammare. Han var överaskad, dock, att finna att föreningen var lika kapabel att absorbera deuterium som rent litium var.

"Matt upptäckte att även efter att litiumbeläggningen fick sitta på de plasma-vända komponenterna i LTX och oxidera, det kunde fortfarande binda väte, sa Kaita.

"Ett tag, vi tänkte att du måste ha litium med hög renhet eftersom vi trodde att om litiumet redan har en danspartner-syre-kommer det inte att dansa med väte, "sa Mike Jaworski, forskningsfysiker vid PPPL och medförfattare till uppsatsen. "Vi trodde att när det oxiderades, litium skulle vara kemiskt inert. Men i själva verket fann vi att litium kommer att ta alla danspartners det kan få. "

Lucias resultat är det första direkta beviset på att litiumoxid bildas på tokamakväggar och att det behåller väteisotoper såväl som rent litium. De stöder observationen att litiumoxid kan bildas på både grafit, som brickorna i NSTX, och på metall, och förbättra plasmaprestanda.

Resultaten stöder tidigare fynd som involverar PPPL:s National Spherical Torus Experiment (NSTX), en tokamak. År 2010, forskare placerade en stor metallring belagd med litium på golvet i NSTX:s vakuumkärl. Denna apparat, känd som Liquid Lithium Divertor (LLD), var det första försöket att skapa en stor litiumbelagd metallyta inuti NSTX. Senare, efter att NSTX -avledaren utsatts för kvarvarande syre i vakuumkärlet, forskare studerade avledarens yta. Forskarna värmde avledaren och upptäckte deuterium. Fyndet antydde att deuterium hade fångats av litiumoxiden i LLD, men bevisen var inte definitiva.

Dessa nya fynd indikerar att litium i tokamaks kanske inte behöver vara så rent som man en gång trodde. De visar också att om kolplattorna i NSTX, nu National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), ersätts med metallplattor och beläggs med litium, plasmaprestanda bör inte sjunka. "Det viktigaste är att vi kan fortsätta använda litiumindunstning om vi går till metallväggar i NSTX-U, "Sa Kaita.

Teamet måste göra mer forskning för att avgöra om dessa fynd kommer att gälla för framtida plasmamaskiner, som kan ha flytande flytande metallväggar som kan innehålla både litium och litiumoxid. "Om vi ​​vill extrapolera våra resultat till en fusionsreaktor, vi måste fråga om experimenten är vägledande för den prestanda vi kan förvänta oss i framtiden, "sa Jaworski. Nästa steg i denna forskning skulle innebära att mäta vätskapsretentionshastigheten för både rent och oxiderat litium exakt, och jämför dem strikt.

Resultaten dök upp i april 2017 -numret av Fusionsteknik och design . Forskningen finansierades av DOE Office of Science (Fusion Energy Sciences).