Onderzoekers onder leiding van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een innovatief ontwerp voorgesteld om het vermogen van toekomstige fusiecentrales om veilige, schone en overvloedige energie in een stabiele toestand, of constant, manier. Het ontwerp maakt gebruik van lussen van vloeibaar lithium om het tritium te reinigen en te recyclen, de radioactieve waterstofisotoop die fusiereacties voedt, en om de divertorplaten te beschermen tegen intense uitlaatwarmte van de tokamak die de reacties bevat.

"Er zijn veel uitdagingen bij het ontwikkelen van fusie-energie en het omgaan met warmte op divertorplaten is daar een van, " zei PPPL-natuurkundige Masa Ono, hoofdauteur van een paper over het ontwerp gepubliceerd in het tijdschrift Kernfusie . "We wilden zien hoe we de divertorplaten kunnen beschermen en de fusiekamer schoon kunnen houden."

Fusie, de samensmelting van lichte elementen om energie vrij te maken, is het proces dat de zon en de sterren aandrijft. Hier op aarde, fusiecentrales zullen tritium combineren met zijn zusterisotoop deuterium om de energie te creëren voor de opwekking van elektriciteit. Het produceren van deze kracht in een fusie-apparaat wordt soms "een ster in een pot stoppen" genoemd.

Het systeem dat Ono en collega's hebben ontworpen, vraagt ​​om het in en uit een tokamak pompen van vloeibaar lithium, een soort magnetisch fusieapparaat, om een ​​stabiele werking te behouden terwijl stof en andere onzuiverheden uit het plasma worden verwijderd en de divertor wordt beschermd. de lithium, een zilverachtig metaal dat gemakkelijk combineert met andere elementen, zou een aantal functies vervullen:

• Afdekplaten voor afscherming. Injectie van vloeibaar lithium in de tokamak-afleiderkamer zou de platen met de vloeibare substantie bedekken, ze beschermen tegen hitte en deeltjes die opstijgen uit de kern van het plasma. De vloeibare lithiumcoating zou ook als een spons werken, het vangen van de deeltjes voordat ze de plaat raken en voorkomen dat ze terugkaatsen in het plasma om het af te koelen en de fusieprestaties te verminderen.

  "Zelfs een dun laagje vloeibaar lithium kan de platen beschermen, "zei Ono. "Het belooft ook de plasmaprestaties te verbeteren, zoals waargenomen in het National Spherical Torus Experiment en Lithium Torus Experiment bij PPPL en in andere fusie-experimenten, en vermindert de warmtestroom. En aangezien vloeibaar lithium verdampt, we moeten steeds meer voorzien om de platen vochtig te houden."

• Tritium recyclen, een belangrijke brandstof die zal samensmelten met deuterium om fusiereacties te produceren in toekomstige elektriciteitscentrales. Verwacht wordt dat slechts ongeveer één procent van het tritium dat in het plasma wordt geïnjecteerd, tijdens dit proces wordt verbruikt. Het resterende niet-geconsumeerde tritium moet worden verwijderd en teruggevoerd om het tanken te behouden.

  Om deze taak te volbrengen, het vloeibare lithium zou zich combineren met tritium in de tokamak en het met stof en andere onzuiverheden naar een filter buiten de tokamak voeren waar het stof zou worden verwijderd. De volgende stop zou een koude val zijn die werkt bij 200 graden Celsius, waardoor het tritium kan uitkristalliseren. Na het aftappen van lithium uit de val, het systeem zou het tritium opnieuw opwarmen en regenereren en het naar een afscheider brengen die de onzuiverheden zou weggooien en het tritium terug in de tokamak zou pompen. Alternatief, de lus zou kunnen worden ingevoerd in een centrifuge die het tritium van het lithium scheidde en de isotoop terugvoerde naar de tokamak.

Stof verwijderen. Indien niet aangevinkt, vele tonnen stof kunnen zich in een jaar ophopen door interacties tussen het plasma en de wanden van de fusiekamer. Dezelfde lus die tritium recycleert, zou het stof afgeven aan een filter zoals hierboven beschreven. "Nadat het stoffilter is gevuld, het moet worden vervangen, "Zei Ono. "Omdat het filter relatief dicht bij de fusiekamer zou zijn, het moet op afstand worden vervangen. "Het elimineren van ongewenste elementen. Contact tussen het plasma en de tokamak-wanden zou ook aanleiding geven tot onzuiverheden zoals stikstof en zuurstof die het plasma zouden kunnen koelen. Het stromende vloeibare lithium zou deze onzuiverheden naar de tritiumafscheider brengen, zoals hierboven vermeld, die ze zou verwijderen. "Aangezien deze onzuiverheden naar verwachting relatief laag zullen zijn, "Ono zei, "ze kunnen na scheiding worden gehanteerd door gespecialiseerde kleinere reinigingslussen die aan de hoofdlus zijn bevestigd."

Dergelijke ideeën worden aangepakt door PPPL en groepen over de hele wereld die stromende vloeibare lithiumconcepten testen. "We kijken naar de toekomst om met oplossingen te komen, "zei Ono. "Deze problemen moeten worden aangepakt als we praktische en aantrekkelijke fusie-energiecentrales willen realiseren."