Lithiumverbindingen verbeteren de plasmaprestaties in fusie-apparaten net zo goed als puur lithium, heeft een team van natuurkundigen van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) ontdekt.

Het onderzoek werd uitgevoerd door voormalig natuurkundestudent aan de Princeton University Matt Lucia onder leiding van Robert Kaita, hoofdonderzoeksfysicus bij PPPL en een van Lucia's scriptieadviseurs, evenals het team van wetenschappers die werken aan een machine die bekend staat als het Lithium Tokamak Experiment (LTX). Als onderdeel van zijn proefschrift, Lucia onderzocht hoe lithium afgezet op wanden van donutvormige fusiemachines, bekend als tokamaks, de prestaties van LTX beïnvloedde. Zoals het plasma in een tokamak, het plasma in LTX heeft de vorm van een donut. het plasma, een soep van geladen deeltjes, is omgeven door een koperen schaal met een binnenwand van roestvrij staal.

Lucia gebruikte een nieuw apparaat dat bekend staat als de Materials Analysis and Particle Probe (MAPP), uitgevonden aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign en geïnstalleerd op LTX. Met het MAPP-systeem kunnen wetenschappers monsters nemen in een kamer die is aangesloten op LTX en deze bestuderen zonder de vacuümomgeving van LTX in gevaar te brengen. Met MAPP kunnen wetenschappers analyseren hoe tokamak-plasma's een materiaal beïnvloeden onmiddellijk nadat het experiment is afgelopen. Vroeger, wetenschappers konden alleen monsters bestuderen nadat de machine was uitgeschakeld voor onderhoud; op dat punt, het vacuüm was verbroken en de monsters waren blootgesteld aan vele experimenten, maar ook om te luchten.

Lucia gebruikte de verdampingstechniek om een ​​stuk metaal te coaten met lithium, en vervolgens MAPP gebruikt om het metaal binnen LTX bloot te stellen aan plasma. Zoals hij verwachtte, Lucia observeerde lithiumoxide, die ontstaat wanneer lithium reageert met resterende zuurstof in de vacuümkamer van LTX. Hij was verrast, echter, om te ontdekken dat de verbinding net zo in staat was om deuterium te absorberen als puur lithium.

"Matt ontdekte dat zelfs nadat de lithiumcoating op de naar het plasma gerichte componenten in LTX mocht zitten en oxideren, het was nog steeds in staat om waterstof te binden, ' zei Kaita.

"Voor een poosje, we dachten dat je lithium met een hoge zuiverheidsgraad moest hebben omdat we dachten dat als het lithium al een danspartner heeft - zuurstof - het niet gaat dansen met waterstof, " zei Mike Jaworski, onderzoeksfysicus bij PPPL en co-auteur van het artikel. "We dachten dat als het eenmaal geoxideerd was, lithium zou chemisch inert zijn. Maar in feite ontdekten we dat lithium alle danspartners zal nemen die het kan krijgen."

Lucia's resultaten zijn het eerste directe bewijs dat lithiumoxide zich vormt op tokamak-wanden en dat het waterstofisotopen vasthoudt, net als zuiver lithium. Ze ondersteunen de waarneming dat lithiumoxide zich kan vormen op zowel grafiet, zoals de tegels in NSTX, en op metaal, en de plasmaprestaties te verbeteren.

De resultaten ondersteunen eerdere bevindingen met betrekking tot PPPL's ​​National Spherical Torus Experiment (NSTX), een tokamak. In 2010, wetenschappers plaatsten een grote metalen ring bedekt met lithium op de vloer van het vacuümvat van NSTX. Dit apparaat, bekend als de Liquid Lithium Divertor (LLD), was de eerste poging om een ​​groot met lithium gecoat metalen oppervlak in NSTX te creëren. Later, nadat de NSTX-divertor was blootgesteld aan resterende zuurstof in het vacuümvat, wetenschappers bestudeerden het oppervlak van de divertor. De onderzoekers verwarmden de divertor en ontdekten deuterium. De bevinding liet doorschemeren dat het deuterium was gevangen door het lithiumoxide in de LLD, maar het bewijs was niet definitief.

Deze nieuwe bevindingen geven aan dat lithium in tokamaks misschien niet zo zuiver hoeft te zijn als ooit werd gedacht. Ze laten ook zien dat als de koolstoftegels in NSTX, nu de National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), worden vervangen door metalen tegels en gecoat met lithium, de plasmaprestaties mogen niet afnemen. "Het belangrijkste is dat we lithiumverdamping kunnen blijven gebruiken als we naar metalen wanden in NSTX-U gaan, ' zei Kaita.

Het team moet meer onderzoek doen om te bepalen of deze bevindingen ook van toepassing zijn op toekomstige plasmamachines, die mogelijk vloeiende wanden van vloeibaar metaal hebben die zowel lithium als lithiumoxide kunnen bevatten. "Als we onze resultaten willen extrapoleren naar een fusiereactor, we moeten ons afvragen of de experimenten indicatief zijn voor de prestaties die we in de toekomst kunnen verwachten, " zei Jaworski. De volgende stap in dit onderzoek zou zijn om de waterstofretentiegraad van zowel zuiver als geoxideerd lithium precies te meten, en ze grondig te vergelijken.

De bevindingen verschenen in het aprilnummer van 2017 van: Fusietechniek en ontwerp . Het onderzoek werd gefinancierd door het DOE Office of Science (Fusion Energy Sciences).