Iedereen weet dat bij het biljarten ballen van de zijkanten van een pooltafel rollen, maar weinig mensen weten misschien dat hetzelfde principe van toepassing is op fusiereacties. Hoe geladen deeltjes zoals elektronen en atoomkernen waaruit plasma bestaat, interageren met de wanden van donutvormige apparaten die bekend staan ​​​​als tokamaks, helpt bepalen hoe efficiënt fusiereacties plaatsvinden. specifiek, in een fenomeen dat bekend staat als secundaire elektronenemissie (SEE), elektronen vallen op het oppervlak van de muur, waardoor andere elektronen worden uitgezonden. Die secundaire elektronen koelen de rand van het plasma en dempen de algehele prestaties van het plasma.

Wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) bestuderen al tientallen jaren SEE, en in het afgelopen jaar belangrijke vorderingen hebben gemaakt die hun begrip hebben vergroot. Meest recent, twee van de natuurkundigen - Marlene Patino, een afgestudeerde student aan de Universiteit van Californië, Los Angeles, en Angela Capece, een professor aan het College of New Jersey - hebben hun inspanningen gericht op het onderzoeken hoe SEE wordt beïnvloed door verschillende muurmaterialen en -structuren.

Het begrijpen van SEE is cruciaal omdat het gedrag van de secundaire elektronen de prestaties van toekomstige fusiemachines kan beïnvloeden. "Als de warmteverliezen groot worden, de fusiemachine is minder in staat om stroom te produceren, ' zei Kaap.

In haar SEE-onderzoek Capece bestudeerde hoe elektronen interageerden met lithium, een wandmateriaal dat het vermogen van tokamaks om plasma op te sluiten zou kunnen verbeteren. Andere wetenschappers die geïnteresseerd zijn in lithium hebben computermodellen gemaakt die simuleren hoe lithium interageert met elektronen uit het plasma, maar die modellen hebben geen rekening gehouden met hoe gemakkelijk lithium zich bindt met andere sporenelementen in het plasma, zoals zuurstof, om nieuwe moleculen zoals lithiumoxide te vormen. Die nieuwe moleculen interageren anders met elektronen dan puur lithium.

specifiek, wanneer elektronen lithiumoxide treffen op een tokamakwand, er komen veel meer secundaire elektronen vrij in het plasma dan bij niet-lithiumwandmaterialen zoals wolfraam en koolstof. Als een tokamak een voering heeft van grafiet, één elektron dat het met een bepaalde hoeveelheid energie raakt, kan één secundair elektron produceren. Anderzijds, als een elektron met dezelfde energie een bekleding van lithiumoxide raakt, van één tot drie secundaire elektronen zou kunnen resulteren.

Deze discrepantie is cruciaal. "Bij het opnemen van SEE in modellen van fusie-apparaten, het is belangrijk om rekening te houden met de reactiviteit van lithium en dat het lithiumoxide zal vormen in een tokamak-omgeving, ' zei Kaap.

Capece vond uiteindelijk dat, in het algemeen, het wordt voor een elektron gemakkelijker om een ​​secundair elektron af te geven wanneer het zuurstofgehalte in lithiumvoeringen stijgt. Haar onderzoek kwantificeerde precies hoe de hoeveelheid zuurstof gebonden aan het lithium in de wand de hoeveelheid secundaire elektronen die het plasma kan binnenkomen verandert. Hoewel een verhoogde SEE-opbrengst het warmteverlies zou kunnen vergroten, veel variabelen aan de rand van het plasma zouden de impact kunnen wijzigen.

Patino bestudeerde SEE vanuit een ander perspectief. Ze deed onderzoek naar kleine structuren, bekend als "fuzz, " die zich vormen op wolfraambekledingen wanneer ze zijn gebombardeerd door heliumkernen. Ze merkte op dat in vergelijking met glad wolfraam, wolfraam met fuzz kan SEE met 40 tot 60 procent verminderen. Deze bevindingen waren significant omdat eerdere onderzoeken van onderzoekers betrekking hadden op gefabriceerde microstructuren, terwijl in deze studie de tungsten fuzz vanzelf groeide. Bovendien, in tegenstelling tot gefabriceerde constructies, de reductie van SEE hangt niet af van de hoek waaronder de elektronen de wand naderen, beide omdat de secundaire elektronen door de fuzz worden gevangen en de vezels in de fuzz willekeurig worden verdeeld. "Dit gebrek aan afhankelijkheid van de invalshoek is belangrijk voor wanden in plasmamachines, omdat de elektronen de wanden onder grote schuine hoeken zullen raken, ' zei Patino.

Haar werk is gepubliceerd in het novembernummer van 2016 Technische Natuurkunde Brieven . Capece's werd gepubliceerd in het juli 2016 nummer van hetzelfde tijdschrift. Hun onderzoek werd gefinancierd door het DOE's Office of Science (Fusion Energy Sciences). Patino's werk ontving ook financiering van het Air Force Office of Scientific Research (AFOSR).

SEE trok voor het eerst de aandacht van PPPL-wetenschappers door zowel experimenten als theoretisch onderzoek naar plasma-stuwraketten, apparaten die ooit ruimtevaartuigen zouden kunnen voortstuwen naar verre kosmische objecten. "PPPL-onderzoekers kwamen op het idee om materialen met een oppervlaktearchitectuur zoals koolstoffluweel te gebruiken om SEE te onderdrukken en daardoor de prestaties en levensduur van de plasma-stuwraketten te verbeteren, " zei Jevgeny Raitses, een hoofdonderzoeksfysicus bij PPPL en hoofdonderzoeker van zowel Patino's als Capece's projecten.