Litium, den silverfärgade metallen som driver smarta telefoner och hjälper till att behandla bipolära sjukdomar, kan också spela en viktig roll i den världsomspännande ansträngningen att skörda på jorden det säkra, ren och praktiskt taget obegränsad fusionsenergi som driver solen och stjärnorna. De första resultaten av det omfattande uppgraderade Lithium Tokamak Experiment-Beta (LTX-β) vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), visa att de stora förbättringarna fungerar som de är designade och förbättrar prestandan för den heta, laddad plasma som kommer att driva framtida fusionsreaktorer.

Mer fusionsrelevant

Den treåriga uppgraderingen gjorde det som nu är LTX-β till en hetare, tätare och mer fusionsrelevant enhet som kommer att testa hur väl beläggning av alla plasmavända väggar med flytande litium kan förbättra inneslutningen och öka plasmans temperatur. "Vi uppnådde många av våra initiala ingenjörsmål, " sade fysikern Drew Elliott från Oak Ridge National Laboratory, en viktig samarbetspartner till LTX-β. Elliott, på långvarigt uppdrag till PPPL, fungerade som huvudförfattare till det första resultatpapperet som rapporterades i IEEE-transaktioner inom plasmavetenskap .

Fusionsreaktioner kombinerar lätta element i form av plasma – materiens tillstånd som består av fria elektroner och atomkärnor som utgör 99 % av det synliga universum – för att frigöra enorma mängder energi. Fysiker runt om i världen försöker duplicera och kontrollera fusionsreaktioner för att skapa gränslösa säkra, kolfri kraft för att generera el.

Nyckelfunktioner hos LTX-β, en mindre version av de mycket använda munkformade magnetiska tokamakanläggningarna som rymmer fusionsreaktioner, inkluderar dessa faktorer:En kraftfull injektor för neutral strålning för att värma och bränsle plasman; ett nästan fördubblat magnetfält jämfört med den tidigare enheten; och ett dubbelt förångningssystem för att helt belägga flytande litium på alla plasmavända ytor.

Matchade förutsägelser

Strålens funktion stämde väl överens med förutsägelser om andelen kraft som den skulle avsätta i plasman, snarare än att bara lysa igenom det. "Vi vill öka kraftdepositionen mot 100% så att all kraft vi injicerar går in i plasman, sa Elliott, som ledde optimeringen av den neutrala strålen, som är baserad på teknik som var pionjär vid ORNL på 1970-talet. "Det kommer att vara en stor vetenskaplig framgång, i framtida kampanjer."

De väsentliga förbättringarna syftar till att testa om LTX-β kan förbättra plasmaprestanda utöver de anmärkningsvärda prestationerna från dess föregångare. Dessa inkluderar demonstration av temperaturer som förblir konstanta, eller platt, hela vägen från plasmans varma kärna till den normalt svala ytterkanten.

Sådana gradientfria temperaturprofiler, den första någonsin sett i en magnetisk fusionsanläggning i den tidigare enheten, härrör från litiums förmåga att hålla fast vid herrelösa partiklar som läcker från plasmans kärna och hindra dem från att återvinnas och kyla kanten och kärnan av plasmat. Upprätthållande av den heta kanten utökar volymen plasma som är tillgänglig för fusion och produktionen av platt temperatur förhindrar att instabiliteter som minskar plasmainneslutningen utvecklas.

Uppgraderingens mål

"Målen med uppgraderingen är att avgöra om litiumväggar med mycket låg återvinning kan förbättra plasmainneslutningen i en tokamak med neutral stråluppvärmning, sa Dick Majeski, huvudutredare för LTX-β. "Om LTX-β lyckas, vi kan gå vidare till experiment på flytande litium i National Spherical Torus Experiment-Upgrade [NSTX-U], flaggskeppsfusionsexperimentet vid PPPL.

Den första körningen av LTX-β visade förbättringar som inkluderade följande:

• Ökad bränslepåfyllning och densitet av plasma, huvudmålen för neutralstråleinjektorn;
• Ökad avsättning av flytande litium över mer än 90 % av de inre väggarna av LTX-β;
• Längre plasmaurladdningar, eller pulser, möjliggörs av det förstärkta magnetfältet; och
• Högre plasmaström - ett kritiskt element som får magnetfältet att spiralera, vilket är nödvändigt för att begränsa plasman.

I uppgraderingen installeras också ny plasmadiagnostik som ytterligare kommer att karakterisera anläggningens utökade driftregime. Och fortfarande återstår att ta i bruk avancerad diagnostik som kommer att mäta den exakta profilen för flera plasmaparametrar.

"Tillägget av den neutrala strålen ökar ineffekten till plasman med en storleksordning och har potential att skapa en fusionsrelevant plasmaregim med förbättrad prestanda, sade Phil Efthimion, chef för PPPL:s Plasma Science &Technology Department som inkluderar LTX-β. "Dick Majeski och hela LTX-β-teamet bör berömmas för att ha slutfört denna aggressiva uppgradering enligt budget och tidsplan.

Experter över hela USA

Uppgraderingen kom från experter över hela USA, inklusive samarbete från PPPL, ORNL, Princeton Universitet, University of California, Los Angeles (UCLA), och University of Tennessee, Knoxville, och utgör ett viktigt verktyg för fusionsforskning.

"ORNL och PPPL har varit partners inom fusionsvetenskap och teknik i många år, och detta fortsätter den starka föreningen, sa Mickey Wade, direktör för ORNL:s Fusion Energy Division. "LTX-β kommer att tillåta fusionsgemenskapen att gräva djupare i löftet om litium och vad det kan låsa upp för att möjliggöra praktisk fusionsenergi."

Majeski har stora planer framför sig. "I framtiden, vi skulle vilja öka pulslängden på den neutrala strålen för att ge en längre period av uppvärmning och bränsle för plasman, " sa han. "Strålen ger mycket flexibilitet till experimentet, och vi vill dra nytta av de nya funktionerna."