Uit opkomend onderzoek blijkt dat het gemakkelijker kan zijn om fusie als energiebron te gebruiken als vloeibaar lithium wordt aangebracht op de binnenwanden van het apparaat waarin het fusieplasma zich bevindt.

Plasma, de vierde toestand van materie, is een heet gas dat bestaat uit elektrisch geladen deeltjes. Wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Department of Energy werken aan oplossingen om de kracht van fusie efficiënt te benutten en zo een schoner alternatief te bieden voor fossiele brandstoffen, vaak met behulp van apparaten die tokamaks worden genoemd en die plasma opsluiten met behulp van magnetische velden.

"Het doel van deze apparaten is om de energie te beperken", zegt Dennis Boyle, stafonderzoeksfysicus bij PPPL. "Als je een veel betere energiebeperking zou hebben, zou je de machines kleiner en goedkoper kunnen maken. Dat zou het geheel een stuk praktischer en kosteneffectiever maken, zodat overheden en de industrie er meer in willen investeren."

De nieuwe bevindingen, die werden benadrukt in een recente presentatie op uitnodiging van Boyle op een bijeenkomst van de American Physical Society Division of Plasma Physics, maken deel uit van het Lithium Tokamak Experiment-Beta (LTX-β) van het Lab. Gerelateerd onderzoek wordt ook gepubliceerd in het tijdschrift Nuclear Materials and Energy .

In recente experimenten zorgde een coating van vloeibaar lithium, toegevoegd aan de binnenkant van de tokamak-wand, ervoor dat het plasma aan de rand warm bleef. Het behouden van een hot edge is de sleutel tot hun unieke aanpak, waarvan de wetenschappers hopen dat deze op een dag zal bijdragen aan ontwerpen voor een fusie-energiecentrale. Eerdere LTX-β-experimenten bestudeerden vaste lithiumcoatings en ontdekten dat ze een plasma konden verbeteren. De onderzoekers waren blij dat ze vergelijkbare resultaten konden behalen met vloeibaar lithium, omdat het beter geschikt is voor gebruik in een grootschalige tokamak.

Richard Majeski, hoofdonderzoeksfysicus bij PPPL en hoofd van LTX-β, merkte op dat een van de grootste uitdagingen bij het ontwikkelen van fusie-energie het bouwen van een levensvatbare muur is voor het apparaat dat het plasma opsluit. PPPL is toegewijd aan het vinden van oplossingen voor deze en andere uitdagingen om de hiaten in de levering van fusie-energie aan het elektriciteitsnet te helpen overbruggen.

"Hoewel LTX-β een bolvormige tokamak van zeer bescheiden formaat is, is het het eerste en nog steeds het enige plasma-opsluitingsapparaat ter wereld met een kernplasma dat volledig wordt omsloten door een vloeibare lithiumwand", zegt Majeski. "De resultaten van LTX-β zijn zeer veelbelovend:vloeibaar lithium biedt niet alleen een wand die bestand is tegen contact met een plasma van 2 miljoen graden, het verbetert zelfs de prestaties van het plasma."

Het vloeibare lithium kan de noodzaak voor reparaties verminderen, omdat het als een schild voor de binnenwanden van het apparaat fungeert wanneer deze worden blootgesteld aan de extreme hitte van het plasma.

Het vloeibare lithium absorbeerde ongeveer 40% van de waterstofionen die uit het plasma ontsnapten, zodat minder van deze deeltjes als relatief koud neutraal gas terug in het plasma werden gerecycleerd. Wetenschappers noemen dit een omgeving met weinig recycling, omdat veel van de waterstofionen die uit het plasma worden uitgestoten, er niet in worden teruggevoerd op een manier die de plasmarand zou afkoelen.

Uiteindelijk zorgde deze omgeving met weinig recycling ervoor dat de temperatuur aan de rand van het plasma dichter bij de temperatuur in de kern van het plasma lag. Die uniformiteit van de temperatuur zou ervoor moeten zorgen dat het plasma de warmte beter kan vasthouden dan waarschijnlijk het geval zou zijn geweest zonder het vloeibare lithium, door een verscheidenheid aan instabiliteiten te vermijden.

Het vloeibare lithium zorgde ook voor een toename van de dichtheid van het plasma wanneer een straal van hoogenergetische neutrale deeltjes werd geïnjecteerd om het plasma te verwarmen en van brandstof te voorzien. Met vast lithium werd slechts een kleine dichtheidstoename aangetoond. Toen de neutrale straal werd gebruikt, duwden de toegevoegde waterstofionen de waterstofionen die zich al in het plasma bevonden naar buiten in een proces dat bekend staat als ladingsuitwisseling.

De onderzoekers geloven dat het belangrijkste verschil te wijten is aan een kleine hoeveelheid lithium die van de vloeistofwanden van de reactor verdampte en in het plasma terechtkwam. Deze lithiumonzuiverheid in het plasma veranderde de dynamiek van de ladingsuitwisseling en zorgde ervoor dat het plasma waterstofionen kon vasthouden die door de neutrale straal waren toegevoegd zonder andere waterstofionen uit te schakelen, wat resulteerde in een algehele toename van de plasmadichtheid.

"Het implementeren van vloeibare lithiumwanden in een veel grotere tokamak zal moeilijk en duur zijn. Om met vertrouwen verder te kunnen gaan met vloeibare lithiumwanden in een toekomstige fase van NSTX-U, zijn verkennende experimenten op kleinere schaal essentieel. LTX-β is precies dat experiment," zei Majeski.

Meer informatie: A. Maan et al, Verbeterde controle van de neutrale en plasmadichtheid met toenemende lithiumwandcoatings in het Lithium Tokamak Experiment-β (LTX-β), Nucleaire materialen en energie (2023). DOI:10.1016/j.nme.2023.101408

Geleverd door Princeton Plasma Physics Laboratory