Två huvudfrågor som konfronterar magnetisk inneslutningsfusionsenergi gör det möjligt för väggarna i enheter som rymmer fusionsreaktioner att överleva bombardemang av energiska partiklar, och förbättra inneslutningen av plasman som krävs för reaktionerna. Vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), forskare har funnit att beläggning av tokamak-väggar med litium - ett ljus, silvermetall— kan leda till framsteg på båda fronterna.

Nya experiment med Litium Tokamak Experiment (LTX), den första anläggningen som helt omger plasma med flytande litium, visade att litiumbeläggningar kan producera temperaturer som håller sig konstant hela vägen från den heta centrala kärnan i plasma till den normalt svala ytterkanten. Fynden bekräftade förutsägelser om att höga kanttemperaturer och konstanta eller nästan konstanta temperaturprofiler skulle vara resultatet av litiums förmåga att hålla herrelösa plasmapartiklar från att sparka - eller återvinna - kall gas från väggarna på en tokamak tillbaka till kanten av plasman.

Nära 100 miljoner grader Celsius

Fusionsenheter kommer att fungera nära 100 miljoner grader Celsius, hetare än solens 15 miljoner graders kärna. Kanten på plasman, bara några meter från 100 miljoner graders kärna, kommer normalt att vara relativt svala några tusen grader, som den joniserade gasen - eller plasma - inuti en lysrör. "Detta är första gången som någon har visat experimentellt att kanten på plasman kan förbli varm på grund av minskad återvinning, sa fysikern Dennis Boyle, huvudförfattare till ett papper publicerat online 5 juli i tidningen Fysiska granskningsbrev . Stöd för detta arbete kommer från DOE Office of Science.

En varmare kant kan förbättra plasmaprestanda på många sätt. Att förhindra att återvunnen gas kyls av kanten minskar mängden extern uppvärmning som måste appliceras för att hålla plasman tillräckligt varm för att fusion ska uppstå, göra en reaktor mer effektiv. "Om kanten är varm, det utökar volymen av plasma för fusion, Boyle sa, "och avsaknaden av en temperaturgradient förhindrar instabilitet som minskar plasmavängsel."

Forskare utförde denna uppsättning experiment med fast litium, Boyle förklarade, men en beläggning av flytande litium kan ge liknande resultat. Fysiker har länge använt båda formerna av litium för att belägga väggarna på LTX. Eftersom flytande flytande litium kan absorbera heta partiklar men inte slits eller spricker när de träffas av dem, det skulle också minska skador på tokamakväggar - en annan kritisk utmaning för fusion.

Uppgradera nästa

Fysiker utförde den senaste forskningen före en uppgradering av LTX, som för närvarande pågår. Uppgraderingen kommer att lägga till en neutralstråleinjektor som kommer att ge näring åt kärnan i plasma och ge mer uppvärmning och plasmadensitet för att testa om litium fortfarande kan hålla temperaturen konstant under förhållanden närmare en verklig fusionsreaktor.

Att uppnå konstanta temperaturprofiler har varit ett stort mål för LTX. Att nå det målet "ger bevis för ett nytt, potentiellt högpresterande plasmaprogram för fusionsenheter, "skrev författarna. Nästa steg blir att se om en sådan regim kan uppnås.