In een kernfusiereactor met magnetische velden, we handhaven het plasma op hoge temperatuur via de magnetische veldlijnen door het plasma uit een vat te drijven. Echter, er vormt onvermijdelijk een locatie waar het plasma toeslaat. Op zo'n plek, om de warmte van het plasma te ontvangen, is een apparaat voor warmteabsorptie, de divertor genaamd, gemonteerd. In de huidige plasma-experimentele apparaten, waaronder het Large Helical Device (LHD) van het National Institute for Fusion Science (NIFS), een solide divertor wordt meestal gebruikt, waarbij het plasma wordt geleid naar een plaat of blok bestaande uit koolstof of wolfraam en die platen of blokken worden gekoeld door water. In de Internationale Thermonucleaire Experimentele Reactor (ITER), te, een solide divertor samengesteld uit wolfraamblokken die zal worden gekoeld door water wordt aangenomen.

De solide afleider, omdat het aan slijtage lijdt doordat het wordt geraakt door plasma's bij hoge temperatuur, vraagt ​​regelmatig onderhoud. Bij NIFS, de spiraalvormige fusiereactor, waarvoor ontwerponderzoek wordt gevorderd, heeft het bijzondere kenmerk van goede vooruitzichten voor een stabiele werking. Omgekeerd, omdat de structuur driedimensionaal en gecompliceerd is, hoe onderhoud aan de divertor zal worden uitgevoerd, wordt een moeilijke technologische kwestie.

In de toekomstige fusiereactor de hoeveelheid warmte die de divertor zal ontvangen zal groter worden, en er bestaat bezorgdheid dat de warmteflux de ITER-ontwerpwaarde aanzienlijk zal overtreffen, dat is ongeveer 20 megawatt per vierkante meter. Als afleider die deze extreem hoge warmtestroom zal dragen, methoden waarbij vloeibaar metaal wordt gebruikt, worden al meer dan 40 jaar voorgesteld en overwogen. Het idee was om de hoge warmtestroom te ontvangen met de stroom gesmolten lithium, blik, en andere vloeibare metalen. Als de stroomsnelheid enkele meters per seconde kan overschrijden, dan is de divertor bestand tegen de hoge warmteflux van het fusieplasma. Anderzijds, omdat deeltjes die zijn omgezet in neutraal gas van een plasma stoppen op de divertor, de rol van het afvoeren van die gassen naar buiten is dus vereist. Vooral, met betrekking tot de spiraalvormige fusiereactor met zijn gecompliceerde structuur, er was geen suggestie van het idee van een vloeibaar-metaalafleider waarbij hoge hittebestendigheid en evacuatieprestaties verenigbaar zijn.

De onderzoeksgroep van professor Junichi Miyazawa, Professor Akio Sagara, en anderen, alle van het National Institute for Fusion Science, een nieuw type douche-omleidersysteem van vloeibaar metaal geconstrueerd dat plasma als neutrale gassen afvoert voordat het bij het schip aankomt. Ze richtten een fijne straal van vloeibaar metaal opgesteld in een regenachtige toestand op perifere gebieden van het hoge temperatuur plasma. Ze gebruikten tin, wat uitstekend is voor lage dampdruk en omdat het goedkoop is, en ook voor de veiligheid.

Bij deze nieuwe methode ze plaatsten het apparaat met tussenpozen op slechts tien plaatsen in het toroidale opsluitingsapparaat (zie figuur 1). Op deze manier, onderhoud wordt veel gemakkelijker uit te voeren. Omgekeerd, het gebied waarmee het plasma in contact kan komen, neemt af, en dan wordt de warmtebelasting sterk verhoogd. Als we vloeibare metaalstroom met hoge snelheid gebruiken, dan wordt dit een tegenmaatregel.

Omdat plasma op hoge temperatuur langs de magnetische veldlijnen beweegt, door het vloeibare metaal schuin te plaatsen, er ontstaat een sterke wand waar het plasma niet doorheen kan. (Zie figuur 2 aan de linkerkant.) Het plasma dat op het oppervlak van de douche van vloeibaar metaal is geneutraliseerd, gaat door de tussenruimten van de douche naar de achterkant, en dus een effectieve evacuatie mogelijk is. (Zie afbeelding 2 rechts.)

De douche van vloeibaar metaal kan een extreem grote warmtebelasting dragen die ongeveer tien keer hoger is dan de waarde die wordt getolereerd door de recente ITER-omleider. Zelfs met zo'n hoge warmtebelasting, we hebben geleerd dat als we een vloeibare metaalstroom van 4 meter per seconde gebruiken, de hoge warmtebelasting gemakkelijk kan worden geblokkeerd. Zoals weergegeven in figuur 3, omdat er de belangrijke eigenschap is waarin wanneer plasma de douche één keer raakt, het raakt het vaartuig niet.

In de doucheomleider van vloeibaar metaal, een stabiele stroming over een lengte van enkele meters is noodzakelijk. De stroom wordt versneld door de zwaartekracht, en wanneer de diameter dun wordt, wordt het oppervlak tegelijkertijd onstabiel, druppels vallen, en er ontstaat spray. Als een apparaat dat warmte ontvangt, dit is niet wenselijk. Om de snelheid door de zwaartekracht te onderdrukken, we hebben een voorwerp ingebracht dat weerstand zou bieden tegen de stroming in de vloeistof. In de interne weerstand, we gebruiken draad en tape, of een ketting. Wat het beste is, hangt af van de variëteit van de vloeistof en de gewenste stroomsnelheid. Als er interne weerstand is, omdat het gebied op hoge temperatuur en het gebied met lage temperatuur gemakkelijk geagiteerd zullen raken, we anticiperen ook op het effect dat de hoogste temperatuur verlaagt en de verdamping van het vloeibare metaal onderdrukt.

Bij deze nieuwe werkwijze vergeleken met tot nu toe gebruikte procedures waarbij koolstof en andere vaste stoffen werden gebruikt, samen met hittebestendige prestaties die meer dan 10 keer groeien, verwacht mag worden dat ook hoge evacuatieprestaties zullen worden bereikt. Verder, er zijn geen beperkingen op de levensduur van het apparaat door slijtage veroorzaakt door plasma, en het onderhoud van het apparaat wordt eenvoudig. Omdat de spiraalvormige fusiereactor een gecompliceerde driedimensionale structuur heeft, er wordt aangenomen dat het gebruik van vloeibaar metaal in de warmte-ontvangende inrichting problematisch zal zijn. Maar volgens dit onderzoek is aangegeven dat dit mogelijk zal zijn.

Deze onderzoeksresultaten werden gepresenteerd op de 26e International Atomic Energy Agency-conferentie van 17-22 oktober in Kyoto, Japan.

Wat betreft de divertor die naar verwachting de extreem hoge warmtebelasting in de fusiereactor zal dragen, er was nog geen antwoord. Dit onderzoek zal een doorbraak opleveren voor dit moeilijke probleem, en zal een belangrijke stap zijn in de richting van de toekomstige fusiereactor.

Wat dit onderzoek betreft, we hebben een technologie ontwikkeld voor het stabiliseren van een stroming die meerdere meters overschrijdt. (De octrooiaanvraag wordt momenteel beoordeeld.) De vloeistofstroom, zoals drinkwater dat uit kranen stroomt en brandweerwater, is een conventioneel fenomeen. Maar in de manieren om vloeistofstroom te gebruiken, zijn veel mogelijkheden verborgen. Vooral, in een stabiele en lange vloeistofstroom, van landbouw en chemie tot velden gebaseerd op ons leven zoals de luchtbevochtiger en interieurdecoratie, er is een grote verscheidenheid aan toepassingen. Zelfs als onderwerp van academisch onderzoek, water is boeiend. Als door dit onderzoek de aandacht wordt gevestigd op het nut van vloeistofstroom, we kunnen anticiperen op verdere activiteiten op verwante onderzoeksgebieden.