Ny forskning tyder på att det kan vara lättare att använda fusion som strömkälla om flytande litium appliceras på de inre väggarna av enheten som innehåller fusionsplasman.
Plasma, materiens fjärde tillstånd, är en het gas gjord av elektriskt laddade partiklar. Forskare vid Department of Energys Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) arbetar på lösningar för att effektivt utnyttja kraften i fusion för att erbjuda ett renare alternativ till fossila bränslen, ofta med hjälp av enheter som kallas tokamaks, som begränsar plasma med hjälp av magnetfält.
"Syftet med dessa enheter är att begränsa energin", säger Dennis Boyle, en forskningsfysiker vid PPPL. "Om du hade mycket bättre energiinneslutning skulle du kunna göra maskinerna mindre och billigare. Det skulle göra det hela mycket mer praktiskt och kostnadseffektivt så att regeringar och industri vill investera mer i det."
De nya fynden, som lyftes fram i en nyligen inbjuden presentation av Boyle vid ett möte i American Physical Society Division of Plasma Physics, är en del av labbets Lithium Tokamak Experiment-Beta (LTX-β). Relaterad forskning publiceras också i tidskriften Nuclear Materials and Energy .
I de senaste experimenten hjälpte en beläggning av flytande litium till insidan av tokamakväggen plasman att hålla sig varm vid kanten. Att upprätthålla en hot edge är nyckeln till deras unika tillvägagångssätt, som forskarna hoppas en dag ska bidra till designen för ett fusionskraftverk. Tidigare LTX-β-experiment studerade fasta litiumbeläggningar och fann att de kunde förbättra en plasma. Forskarna var glada att de kunde ge liknande resultat med flytande litium, eftersom det är bättre lämpat för användning i en storskalig tokamak.
Richard Majeski, en ledande forskningsfysiker vid PPPL och chef för LTX-β, noterade att en av de största utmaningarna med att utveckla fusionsenergi är att bygga en livskraftig vägg för enheten som begränsar plasman. PPPL är dedikerade till att hitta lösningar på denna och andra utmaningar för att hjälpa till att överbrygga klyftorna när det gäller att föra fusionsenergi till elnätet.
"Även om LTX-β är en mycket blygsam storlek sfärisk tokamak, är det den första och fortfarande den enda plasmainneslutningsanordningen i världen med en kärnplasma helt innesluten av en flytande litiumvägg", säger Majeski. "Resultaten från LTX-β har varit mycket lovande – flytande litium ger inte bara en vägg som tål kontakt med en 2-miljoner graders plasma, det förbättrar faktiskt plasmans prestanda."
Det flytande litiumet kan minska behovet av reparationer och fungera som en sköld för enhetens innerväggar när de utsätts för den extrema värmen från plasman.
Det flytande litiumet absorberade cirka 40 % av vätejonerna som flydde från plasman så att färre av dessa partiklar återfördes tillbaka till plasmat som en relativt kall neutral gas. Forskare hänvisar till detta som en miljö med låg återvinning eftersom mycket av vätejonerna som drivs ut från plasman inte återanvänds till den på ett sätt som skulle kyla plasmakanten.
I slutändan innebar denna lågåtervinningsbara miljö att temperaturen vid kanten av plasmat var närmare temperaturen i plasmans kärna. Denna enhetlighet i temperaturen bör göra det möjligt för plasman att begränsa värmen bättre än den troligen skulle ha utan det flytande litiumet genom att undvika en mängd olika instabiliteter.
Det flytande litiumet möjliggjorde också en ökning av plasmats densitet när en stråle av neutrala partiklar med hög energi injicerades för att värma och bränsle plasman. Med fast litium påvisades endast en liten densitetsökning. När den neutrala strålen användes tryckte de tillsatta vätejonerna ut vätejoner som redan fanns i plasman i en process som kallas laddningsutbyte.
Forskarna tror att nyckelskillnaden beror på en liten mängd litium som avdunstat från reaktorns vätskeväggar och kom in i plasman. Denna litiumförorening i plasman förändrade dynamiken i laddningsutbytet och gjorde att plasman kunde behålla vätejoner som tillförts av den neutrala strålen utan att starta upp andra vätejoner, vilket resulterade i en total ökning av plasmadensiteten.
"Att implementera flytande litiumväggar i en mycket större tokamak kommer att bli svårt och dyrt. För att med tillförsikt gå vidare med flytande litiumväggar i en framtida fas av NSTX-U, är utforskande experiment i mindre skala nödvändiga. LTX-β är just det experiment", sa Majeski.
Mer information: A. Maan et al., Förbättrad neutral- och plasmadensitetskontroll med ökande litiumväggbeläggningar i Lithium Tokamak Experiment-β (LTX-β), Nuclear Materials and Energy (2023). DOI:10.1016/j.nme.2023.101408
Tillhandahålls av Princeton Plasma Physics Laboratory
