Misschien wel de grootste technologische uitdaging om op aarde de fusie-energie te oogsten die de zon en de sterren van energie voorziet in toekomstige tokamak-fusiereactoren, zal de extreme hitte beheersen die het uitlaatsysteem in de apparaten zou kunnen treffen. Zo'n warmtestroom, of flux, kan de wanden van de divertor in het hart van het uitlaatsysteem ernstig beschadigen en fusiereacties in de donutvormige faciliteiten stoppen.

Onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een plan gemaakt met vloeibaar lithium om te voorkomen dat de volledige kracht van de extreme hitte de divertor raakt en de tokamaks in staat te stellen te blijven draaien. "Er zal een waarschuwing komen en als je die kunt opvangen en snel genoeg een remedie kunt implementeren, kun je voorkomen dat de gebeurtenis de muur van de omleider beschadigt, " zei natuurkundige Masayuki Ono, hoofdauteur van een paper in de Journal of Fusion Energy waarin een voorgestelde oplossing wordt geschetst.

Fusiereacties combineren lichte elementen in de vorm van plasma - het hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen die 99 procent van het zichtbare universum uitmaken - om enorme hoeveelheden energie te genereren. Natuurkundigen over de hele wereld proberen dergelijke reacties te reproduceren en te beheersen om een ​​veilige, schone en vrijwel onuitputtelijke stroomvoorziening om elektriciteit op te wekken.

Enorme opgeslagen energie

Het probleem doet zich voor omdat de energie die is opgeslagen in de kern van het plasma dat toekomstige tokamaks van brandstof zal voorzien, naar verwachting 1 zal zijn. 000 keer groter dan in faciliteiten die tegenwoordig worden gebruikt. Als slechts 1% van de opgeslagen energie uit de kern van een toekomstige reactor zou affakkelen en de divertor zou bereiken, de schade kan groot zijn, zei Ono. Een dergelijke gebeurtenis kan worden veroorzaakt door opflakkeringen zoals edge-localized modes (ELM's), waarin intense uitbarstingen van hitte in de naar plasma gerichte wanden van een tokamak kunnen slaan. De voorgestelde remedie, bedacht met co-auteur Roger Raman, een natuurkundige van de Universiteit van Washington met een langdurige opdracht aan PPPL, roept op tot de injectie van lithiumkorrels, een licht zilverachtig metaal, in de divertor in het hart van het uitlaatgebied, waar het lithium vloeibaar zou worden en sterk zou uitstralen. De straling zou een groot deel van de extreme warmte die uit de kern van het plasma ontsnapt, verspreiden en zou de hoeveelheid die de wand van de divertor raakt, minimaliseren.

"Het idee is om lichte onzuiverheden zoals lithium, boor, of beryllium in het divertorgebied om veel van de energie weg te stralen, " legde Ono uit. "De truc zal zijn om snel genoeg naar binnen te gaan om de divertor te beschermen met heel weinig straling die de plasmakern aantast. Je wilt niet te veel onzuiverheidsmateriaal injecteren - net genoeg om het werk te doen."

Onderzoekers injecteren momenteel lithium in tokamaks met eenvoudige, goedkope technologieën zoals gaspistoolinjectoren en een systeem op basis van schoepenwielen die continu een stroom deeltjes injecteren. Echter, Ono en Raman zeggen dat gaspistolen de neiging hebben om een ​​lading gas te injecteren in de vacuümkamer waarin het kernplasma zich bevindt. die problemen kunnen veroorzaken.

Hoge snelheidsinjector

De auteurs stellen voor om gaspistolen te vervangen door een "elektromagnetische deeltjesinjector" vergelijkbaar met een die Raman heeft ontwikkeld aan de Universiteit van Washington. "Het vermijden van onnodige gasbelasting met een gecontroleerde snelle reactietijd is vooral belangrijk, " zei Raman. Het voorgestelde concept zou in de stand-bymodus blijven totdat het nodig is, en zou dan de stralingslading op een snelle tijdschaal injecteren.

Waarschuwingen voor extreme warmteflux kunnen komen van de plotselinge lichtflitsen die warmte-uitbarstingen zouden veroorzaken aan de rand van het plasma. Dergelijke uitbarstingen zouden de divertor in ongeveer 10 milliseconden kunnen bereiken. De elektromagnetische deeltjesinjector zou snel een projectiel met hoge snelheid in het divertorgebied afvuren om de aanstormende warmtestroom weg te stralen.

Wetenschappers hebben eerder vloeibaar lithium via een andere techniek op de rand van het plasma aangebracht in het National Spherical Torus Experiment (NSTX), de voorloper van de National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), de huidige vlaggenschip-fusiefaciliteit bij PPPL, en ontdekte dat het metaal de warmteflux van de piekafleider verminderde. De auteurs stellen nu voor de toepassing van lithium te testen met een elektromagnetische injector op de NSTX-U wanneer de faciliteit beschikbaar komt na het voltooien van lopende reparaties.

Als deze test succesvol is, de applicatie kan vervolgens worden getest op toekomstige tokamaks zoals ITER, de internationale tokamak in ontwikkeling in Frankrijk. "Dit is een moeilijke, uitdagend probleem, " Ono zei over het beheersen van extreme warmtestromen. "Het is een probleem op lange termijn en we zouden er verstandig aan doen ervoor te zorgen dat we manieren hebben om de impact te minimaliseren."