Twee belangrijke problemen waarmee fusie-energie met magnetische opsluiting wordt geconfronteerd, zorgen ervoor dat de muren van apparaten die fusiereacties huisvesten, bombardementen door energetische deeltjes kunnen overleven, en het verbeteren van de opsluiting van het plasma dat nodig is voor de reacties. Bij het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), onderzoekers hebben ontdekt dat het coaten van tokamak-muren met lithium - een licht, zilverachtig metaal— kan op beide fronten tot vooruitgang leiden.

Recente experimenten met het Lithium Tokamak Experiment (LTX), de eerste faciliteit die plasma volledig omringt met vloeibaar lithium, toonde aan dat lithiumcoatings temperaturen kunnen produceren die constant blijven vanaf de hete centrale kern van het plasma tot de normaal koele buitenrand. De bevindingen bevestigden voorspellingen dat hoge randtemperaturen en constante of bijna constante temperatuurprofielen het gevolg zouden zijn van het vermogen van lithium om te voorkomen dat verdwaalde plasmadeeltjes koud gas van de wanden van een tokamak terug naar de rand van het plasma schoppen of recyclen.

Bijna 100 miljoen graden Celsius

Fusion-apparaten zullen werken in de buurt van 100 miljoen graden Celsius, heter dan de 15 miljoen graden kern van de zon. De rand van het plasma, slechts een paar meter van de kern van 100 miljoen graden, zal normaal gesproken een paar duizend graden relatief koel zijn, zoals het geïoniseerde gas - of plasma - in een fluorescerende lamp. "Dit is de eerste keer dat iemand experimenteel heeft aangetoond dat de rand van het plasma heet kan blijven door verminderde recycling, " zei natuurkundige Dennis Boyle, hoofdauteur van een artikel dat op 5 juli online in het tijdschrift is gepubliceerd Fysieke beoordelingsbrieven . Ondersteuning voor dit werk komt van het DOE Office of Science.

Een warmere rand kan de plasmaprestaties op tal van manieren verbeteren. Voorkomen dat gerecycleerd gas de rand afkoelt, vermindert de hoeveelheid externe verwarming die moet worden toegepast om het plasma warm genoeg te houden om fusie te laten plaatsvinden, een reactor efficiënter maken. "Als de rand heet is, het vergroot het volume plasma dat beschikbaar is voor fusie, " zei Boyle, "en het ontbreken van een temperatuurgradiënt voorkomt instabiliteiten die plasma-opsluiting verminderen."

Onderzoekers voerden deze reeks experimenten uit met vast lithium, Boyle legde uit, maar een coating van vloeibaar lithium zou vergelijkbare resultaten kunnen opleveren. Natuurkundigen hebben beide vormen van lithium lange tijd gebruikt om de wanden van LTX te coaten. Omdat stromend vloeibaar lithium hete deeltjes zou kunnen absorberen, maar niet zou verslijten of barsten wanneer ze erdoor worden geraakt, het zou ook de schade aan tokamak-muren verminderen - een andere cruciale uitdaging voor fusie.

Volgende upgraden

Natuurkundigen voerden het recente onderzoek uit voorafgaand aan een upgrade van de LTX, die momenteel aan de gang is. De upgrade voegt een neutrale straalinjector toe die de kern van het plasma van brandstof zal voorzien en meer verwarming en plasmadichtheid zal leveren om te testen of lithium de temperatuur nog steeds constant kan houden in omstandigheden die dichter bij een echte fusiereactor liggen.

Het bereiken van constante temperatuurprofielen was een belangrijk doel van LTX. Het bereiken van dat doel "geeft bewijs voor een nieuwe, potentieel high-performance plasma regime voor fusie-apparaten, schreven de auteurs. De volgende stap zal zijn om te kijken of een dergelijk regime kan worden bereikt.