Lithium, het zilverachtige metaal dat smartphones aandrijft en helpt bij de behandeling van bipolaire stoornissen, zou ook een belangrijke rol kunnen spelen in de wereldwijde inspanning om op aarde de veilige, schone en vrijwel onbeperkte fusie-energie die de zon en de sterren aandrijft. Eerste resultaten van het uitgebreid opgewaardeerde Lithium Tokamak Experiment-Beta (LTX-β) in het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), aantonen dat de belangrijkste verbeteringen werken zoals ontworpen en de prestaties van de hete, geladen plasma dat toekomstige fusiereactoren van brandstof zal voorzien.

Meer fusie-relevant

De driejarige upgrade maakte van wat nu de LTX-β is een heter, dichter en meer fusie-relevant apparaat dat zal testen hoe goed het coaten van alle naar het plasma gerichte wanden met vloeibaar lithium de opsluiting kan verbeteren en de temperatuur van het plasma kan verhogen. "We hebben veel van onze initiële technische doelen bereikt, " zei natuurkundige Drew Elliott van het Oak Ridge National Laboratory, een belangrijke medewerker van de LTX-β. Elliott, op langdurige opdracht aan PPPL, diende als hoofdauteur van het eerste resultatenrapport dat werd gerapporteerd in IEEE-transacties in plasmawetenschap .

Fusiereacties combineren lichte elementen in de vorm van plasma - de toestand van materie die bestaat uit vrije elektronen en atoomkernen die 99% van het zichtbare universum uitmaken - om enorme hoeveelheden energie vrij te maken. Natuurkundigen over de hele wereld proberen fusiereacties te dupliceren en te beheersen om grenzeloze veilige, koolstofvrije stroom om elektriciteit op te wekken.

Belangrijkste kenmerken van de LTX-β, een kleinere versie van de veelgebruikte donutvormige magnetische tokamak-faciliteiten die fusiereacties huisvesten, omvatten deze factoren:Een krachtige neutrale straalinjector om het plasma te verwarmen en van brandstof te voorzien; een bijna verdubbeld magnetisch veld in vergelijking met het vorige apparaat; en een dubbel verdampingssysteem om vloeibaar lithium volledig te coaten op alle naar het plasma gerichte oppervlakken.

Overeenkomende voorspellingen

De werking van de straal kwam goed overeen met de voorspellingen van de fractie van de energie die het in het plasma zou afzetten, in plaats van er gewoon doorheen te schijnen. "We willen de energiedepositie naar 100% verhogen, zodat al het vermogen dat we injecteren in het plasma gaat, " zei Elliott, die de optimalisatie van de neutrale straal leidde, die is gebaseerd op technologie die in de jaren zeventig bij ORNL werd ontwikkeld. "Dat zal een grote wetenschappelijke duw zijn, in toekomstige campagnes."

De substantiële verbeteringen zijn bedoeld om te testen of de LTX-β de plasmaprestaties kan verbeteren boven de opmerkelijke prestaties van zijn voorganger. Deze omvatten het aantonen van temperaturen die constant blijven, of plat, helemaal van de hete kern van het plasma tot de normaal koele buitenrand.

Dergelijke gradiëntvrije temperatuurprofielen, de eerste ooit gezien in een magnetische fusiefaciliteit in het vorige apparaat, komen voort uit het vermogen van lithium om losse deeltjes vast te houden die uit de kern van het plasma lekken en te voorkomen dat ze terugrecyclen en de rand en kern van het plasma afkoelen. Het aanhouden van de hot edge vergroot het volume aan plasma dat beschikbaar is voor fusie en de productie van een vlakke temperatuur voorkomt de ontwikkeling van instabiliteiten die de plasmaopsluiting verminderen.

Doelen van de upgrade

"De doelen van de upgrade zijn om te bepalen of lithiummuren met een zeer laag recyclerendement de plasma-opsluiting in een tokamak met neutrale bundelverwarming kunnen verbeteren, zei Dick Majeski, hoofdonderzoeker voor LTX-β. "Als LTX-β succesvol is, we kunnen doorgaan met experimenten met vloeibaar lithium in de National Spherical Torus Experiment-Upgrade [NSTX-U], " het vlaggenschip fusie-experiment bij PPPL.

De eerste run van de LTX-β toonde verbeteringen aan, waaronder het volgende:

• Verhoogde brandstof en dichtheid van het plasma, belangrijkste doelen van de neutrale straalinjector;
• Verhoogde afzetting van vloeibaar lithium over meer dan 90% van de binnenwanden van de LTX-β;
• Langere plasma-ontladingen, of pulsen, mogelijk gemaakt door het versterkte magnetische veld; en
• Hogere plasmastroom - een cruciaal element dat ervoor zorgt dat het magnetische veld spiraalsgewijs die nodig is om het plasma op te sluiten.

In de upgrade zijn ook nieuwe plasmadiagnoses geïnstalleerd die het uitgebreide bedrijfsregime van de faciliteit verder zullen karakteriseren. En nog in gebruik te nemen zijn geavanceerde diagnostiek die het precieze profiel van verschillende plasmaparameters zal meten.

"De toevoeging van de neutrale straal verhoogt het ingangsvermogen naar het plasma met een orde van grootte en heeft het potentieel om een ​​fusierelevant plasmaregime te creëren met verbeterde prestaties, " zei Phil Efthimion, hoofd van de afdeling Plasma Science &Technology van PPPL, waartoe ook de LTX-β behoort. "Dick Majeski en het hele LTX-β-team moeten worden geprezen voor het voltooien van deze agressieve upgrade binnen budget en schema.

Experts in de VS

De upgrade is afkomstig van experts in de Verenigde Staten, inclusief medewerking van PPPL, ORNL, Princeton Universiteit, de Universiteit van Californië, Los Angeles (UCLA), en de Universiteit van Tennessee, Knoxville, en biedt een belangrijk hulpmiddel voor fusieonderzoek.

"ORNL en PPPL zijn al vele jaren partners in fusiewetenschap en -technologie, en dit zet die sterke unie voort, " zei Mickey Wade, directeur van ORNL's Fusion Energy Division. "LTX-β zal de fusiegemeenschap in staat stellen dieper te graven in de belofte van lithium en wat het zou kunnen ontsluiten om praktische fusie-energie mogelijk te maken."

Majeski heeft grote plannen voor de boeg. "In de toekomst, we willen de pulslengte van de neutrale straal vergroten om het plasma langer te verwarmen en van brandstof te voorzien, " zei hij. "De straal voegt veel flexibiliteit toe aan het experiment, en we willen profiteren van de nieuwe mogelijkheden."