U bent misschien het meest bekend met het element lithium als een integraal onderdeel van de batterij van uw smartphone, maar het element speelt ook een rol bij de ontwikkeling van schone fusie-energie. Bij gebruik op wolfraamoppervlakken in fusie-apparaten, lithium kan periodieke instabiliteiten in plasma verminderen die de reactorwanden kunnen beschadigen, wetenschappers hebben gevonden.

De resultaten, aangetoond door wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en medewerkers van China's Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) ontdekten dat lithiumpoeder instabiliteiten die bekend staan ​​als edge-localized modes (ELM's) kan elimineren wanneer het wordt gebruikt om te coaten een op wolfraam gericht onderdeel dat de "divertor" wordt genoemd - de eenheid die afvalwarmte en deeltjes uit plasma afvoert die fusiereacties voeden. Als je alleen gelaten wordt, dergelijke instabiliteiten kunnen de divertor beschadigen en ervoor zorgen dat fusiereacties sissen.

De resultaten zijn goed nieuws voor toekomstige apparaten die van plan zijn wolfraam te gebruiken voor hun eigen omleiders die zijn ontworpen om met lithium te werken.

Eerdere experimenten met lithiumpoeder op EAST hebben het vermogen van het metaal bevestigd om de frequentie en intensiteit van periodieke uitbarstingen van ELM's die optreden in de buitenrand van plasma's die de divertor kunnen beschadigen, te elimineren of te verminderen. ELM's ontwikkelen zich regelmatig wanneer het plasma in een toestand van hoge energie komt die bekend staat als de modus voor hoge opsluiting, of H-modus, waardoor de warmte efficiënter in het plasma wordt vastgehouden. ELM's kunnen ook grote hoeveelheden warmte afgeven die de naar het plasma gerichte componenten beschadigen en geërodeerd materiaal vrijgeven dat het plasma kan binnendringen en de fusiereacties kan afkoelen.

Tijdens de afgelopen experimenten, De bovenste en onderste divertors van EAST waren bedekt met lichte en poreuze koolstof in plaats van met wolfraam van zwaar metaal. "Dus, de vraag was of lithium hetzelfde effect zal hebben op wolfraamwanden als op koolstofwanden, " zei PPPL-natuurkundige Rajesh Maingi, hoofdauteur bij Jiansheng Hu van het Institute of Plasma Physics aan de Chinese Academie van Wetenschappen (ASIPP) van een paper waarin de resultaten in het tijdschrift worden beschreven Kernfusie .

De kwestie stond ter discussie omdat recent onderzoek naar andere donutvormige tokamaks, zoals de Axi-Symmetric Divertor Experiment-Upgrade (ASDEX-U) in Duitsland, hebben gesuggereerd dat plasmagerichte componenten gemaakt van wolfraam het vermogen van lithiumcoatings om ELM's te beheersen, daadwerkelijk verminderen. Lithium werd via grote snelle pellets in ASDEX-U geïnjecteerd, in vergelijking met het lithiumpoeder dat door de zwaartekracht in de EAST-experimenten werd geïnjecteerd.

In de recente experimenten, onderzoekers manipuleerden het plasma in EAST zodat het zijn afvalwarmte uitputte op de bovenste van de twee divertors in de tokamak. In tegenstelling tot de onderste divertor, die is gemaakt van koolstof, de bovenste divertor is gemaakt van wolfraam.

De resultaten toonden aan dat lithium dat in plasma wordt geïnjecteerd in contact met wolfraam ELM's net zoveel vermindert als lithium wanneer het plasma zijn warmte op koolstof uitput. Natuurkundigen hebben nu meer vertrouwen dat de technieken die worden gebruikt om ELM's in huidige fusiemachines te verminderen, in de toekomst ELM's in grotere machines zullen kunnen verminderen, zolang ze zijn ontworpen om compatibel te zijn met lithium.

Het onderzoeksteam merkte op dat het gemakkelijker werd om ELM's te elimineren naarmate de experimenten vorderden, wat suggereert dat eliminatie minder lithium nodig zou kunnen hebben naarmate de tijd verstreek. Wetenschappers zouden daarom graag een manier vinden om te reguleren hoeveel lithium er in het plasma wordt geïnjecteerd, misschien de injectiesnelheid verlagen zodra de ELM's zijn verdwenen om de lithiumvoorraad te beheersen en de prestaties van het plasma te optimaliseren.