Den kanske största tekniska utmaningen för att på jorden skörda fusionsenergin som driver solen och stjärnorna i framtida tokamak-fusionsreaktorer kommer att vara att kontrollera den extrema värmen som kan drabba avgassystemet inuti enheterna. Sådant värmeflöde, eller flux, kan allvarligt skada avledarens väggar i hjärtat av avgassystemet och stänga av fusionsreaktioner i de munkformade anläggningarna.

Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har skapat en plan med hjälp av flytande litium för att hindra den fulla kraften från den extrema värmen från att träffa avledaren och skulle göra det möjligt för tokamaks att fortsätta springa. "Det kommer en varning att komma ner och om du kan fånga det och implementera en åtgärd snabbt nog kan du förhindra att händelsen skadar avledningsväggen, " sa fysikern Masayuki Ono, huvudförfattare till en artikel i Journal of Fusion Energy som beskriver en föreslagen lösning.

Fusionsreaktioner kombinerar lätta element i form av plasma - det heta, laddat tillstånd av materia som består av fria elektroner och atomkärnor som utgör 99 procent av det synliga universum – för att generera enorma mängder energi. Fysiker runt om i världen försöker reproducera och kontrollera sådana reaktioner för att skapa en säker, ren och praktiskt taget outtömlig tillgång på kraft för att generera elektricitet.

Enorma lagrad energi

Problemet uppstår eftersom energin som lagras i kärnan av plasman som kommer att driva framtida tokamak förväntas vara 1, 000 gånger större än i anläggningar som används idag. Om bara 1 % av den lagrade energin blossade ut ur kärnan i en framtida reaktor och nådde avledaren, skadan kan bli omfattande, sa Ono. En sådan händelse kan orsakas av flare-ups som edge-localized modes (ELMs), där intensiva värmeutbrott kan slå in i en tokamaks plasmavända väggar. Den föreslagna åtgärden, utarbetad med medförfattare Roger Raman, en fysiker vid University of Washington på långvarigt uppdrag till PPPL, uppmanar till injektion av pellets av litium, en lätt silverfärgad metall, in i avledaren i hjärtat av avgasområdet, där litiumet skulle flyta och stråla kraftigt. Strålningen skulle sprida ut mycket av den extrema värmen som strömmar ut från plasmans kärna och skulle minimera mängden som träffar avledarväggen.

"Tanken är att injicera lätta föroreningar som litium, bor, eller beryllium in i avledarområdet för att stråla bort mycket av energin, " förklarade Ono. "Tricket kommer att vara att gå in tillräckligt snabbt för att skydda avledaren med mycket lite strålning som påverkar plasmakärnan. Du vill inte injicera för mycket föroreningsmaterial - bara tillräckligt för att göra jobbet."

Forskare injicerar för närvarande litium i tokamaks med enkla, billiga tekniker som gaspistolinjektorer och ett system baserat på skovelhjul som kontinuerligt injicerar en ström av partiklar. Dock, Ono och Raman säger att gaspistoler tenderar att injicera en last med gas i vakuumkammaren som inrymmer kärnplasman, som kan orsaka problem.

Höghastighetsinjektor

Författarna föreslår att man byter ut gaspistoler med en "elektromagnetisk partikelinjektor" som liknar en som Raman har utvecklat vid University of Washington. "Att undvika onödig gasbelastning med en kontrollerad snabb svarstid är särskilt viktigt, " sa Raman. Det föreslagna konceptet skulle förbli i standby-läge tills det behövs, och sedan skulle injicera den strålande nyttolasten på en snabb tidsskala.

Varningar om extremt värmeflöde kan komma från de plötsliga ljusglimtar som värmesprängningar skulle skapa vid kanten av plasman. Sådana skurar kan nå avledaren på cirka 10 millisekunder. Den elektromagnetiska partikelinjektorn skulle snabbt avfyra en höghastighetsprojektil in i avledningsområdet för att stråla bort det påträngande värmeflödet.

Forskare har tidigare applicerat flytande litium genom en annan teknik på kanten av plasman i National Spherical Torus Experiment (NSTX), föregångaren till National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), den nuvarande flaggskeppsfusionsanläggningen vid PPPL, och fann att metallen minskade toppavledarens värmeflöde. Författarna föreslår nu att man testar appliceringen av litium med en elektromagnetisk injektor på NSTX-U när anläggningen blir tillgänglig efter att ha avslutat pågående reparationer.

Om testet lyckas, applikationen kan sedan testas på framtida tokamaks som ITER, den internationella tokamak under utveckling i Frankrike. "Det här är en tuff, utmanande problem, " Ono sa om att kontrollera extremt värmeflöde. "Det är ett långväga problem och vi skulle göra klokt i att se till att vi har sätt att minimera påverkan."