Vloeibaar lithium op de wanden van een fusie-apparaat zorgt ervoor dat het plasma binnenin een hete rand behoudt

By | January 24, 2024

Dit artikel is beoordeeld in overeenstemming met het redactionele proces en de richtlijnen van Science X. De redactie heeft de volgende kenmerken benadrukt en tegelijkertijd de geloofwaardigheid van de inhoud gewaarborgd:

op feiten gecontroleerd

betrouwbare bron

Proeflezen


Deze weergave van de binnenkant van LTX-β laat zien hoe het donutvormige plasma-opsluitingsapparaat eruit ziet nadat het lithium uit de schaalwanden is verwijderd en verschillende openingen zijn geopend. PPPL-onderzoeksfysicus Dennis Boyle kijkt vanuit midden rechts naar binnen. Fotocredit: Elle Starkman/PPPL Office of Communications

× dichtbij


Deze weergave van de binnenkant van LTX-β laat zien hoe het donutvormige plasma-opsluitingsapparaat eruit ziet nadat het lithium uit de schaalwanden is verwijderd en verschillende openingen zijn geopend. PPPL-onderzoeksfysicus Dennis Boyle kijkt vanuit midden rechts naar binnen. Fotocredit: Elle Starkman/PPPL Office of Communications

Nieuw onderzoek suggereert dat het wellicht gemakkelijker is om fusie als energiebron te gebruiken als vloeibaar lithium wordt aangebracht op de binnenwanden van het apparaat waarin het fusieplasma is ondergebracht.

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 om een ​​schoner alternatief voor fossiele brandstoffen te bieden. Er worden vaak apparaten gebruikt die tokamaks worden genoemd en die plasma bevatten met behulp van magnetische velden.

“Het doel van deze apparaten is om de energie te beperken”, zegt Dennis Boyle, stafonderzoeksfysicus bij PPPL. “Als je de energie veel beter zou kunnen beheersen, zou je de machines kleiner en goedkoper kunnen maken. Dat zou het geheel veel praktischer en kosteneffectiever maken, zozeer zelfs dat overheden en de industrie er meer in zouden willen investeren.”

De nieuwe bevindingen, benadrukt in een recente presentatie op uitnodiging van Boyle tijdens een bijeenkomst van de Division of Plasma Physics van de American Physical Society, maken deel uit van het Lithium Tokamak Experiment-Beta (LTX-β) van het laboratorium. Gerelateerd onderzoek wordt ook gepubliceerd in het tijdschrift Nucleaire materialen en energie.

In recente experimenten hield een coating van vloeibaar lithium aan de binnenkant van de tokamakwand het plasma aan de rand heet. Het behouden van een hot edge is de sleutel tot hun unieke aanpak, waarvan wetenschappers hopen dat deze op een dag zal helpen bij het ontwerpen van een fusie-energiecentrale. Eerdere LTX-β-experimenten onderzochten vaste lithiumcoatings en ontdekten dat ze een plasma kunnen verbeteren. De onderzoekers waren blij dat ze vergelijkbare resultaten konden bereiken met vloeibaar lithium, omdat het geschikter is voor gebruik in een grootschalige tokamak.

Richard Majeski, senior onderzoeksfysicus bij PPPL en leider van LTX-β, merkte op dat een van de grootste uitdagingen bij het ontwikkelen van fusie-energie het bouwen van een duurzame muur is voor het apparaat dat het plasma opsluit. PPPL is toegewijd aan het vinden van oplossingen voor deze en andere uitdagingen om de gaten in het injecteren van fusie-energie in het elektriciteitsnet te dichten.

“Hoewel LTX-β een bolvormige tokamak is van zeer bescheiden omvang, is het het eerste en nog steeds enige plasma-opsluitingsapparaat ter wereld waarvan het kernplasma volledig omgeven is door een vloeibare lithiumwand,” zei Majeski. “De resultaten van LTX-β waren 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.”


Dennis Boyle, onderzoeksfysicus bij PPPL, staat voor LTX-β. Voor de bediening van het plasma-insluitingsapparaat is een complex netwerk van kabels en slangen nodig. Het straalsysteem bevindt zich rechts van Boyle’s hoofd. Op de voorgrond rechts staat een foto van het interieur van de LTX-β met een afbeeldingsinzet van een kleine plas lithium. Fotocredit: Elle Starkman/PPPL Office of Communications

× dichtbij


Dennis Boyle, onderzoeksfysicus bij PPPL, staat voor LTX-β. Voor de bediening van het plasma-insluitingsapparaat is een complex netwerk van kabels en slangen nodig. Het straalsysteem bevindt zich rechts van Boyle’s hoofd. Op de voorgrond rechts staat een foto van het interieur van de LTX-β met een afbeeldingsinzet van een kleine plas lithium. Fotocredit: Elle Starkman/PPPL Office of Communications

Het vloeibare lithium kan de noodzaak voor reparaties verminderen en dienen als bescherming voor de binnenwanden van het apparaat wanneer deze worden blootgesteld aan de extreme hitte van het plasma.

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

Uiteindelijk resulteerde deze lage recyclingomgeving erin dat de temperatuur aan de rand van het plasma dichter bij de temperatuur in de kern van het plasma lag. Deze uniformiteit van de temperatuur zou ervoor moeten zorgen dat het plasma de warmte beter kan vasthouden dan waarschijnlijk het geval zou zijn zonder het vloeibare lithium, waardoor verschillende instabiliteiten worden vermeden.

Het vloeibare lithium zorgde er ook voor dat de plasmadichtheid kon worden verhoogd wanneer een straal van hoogenergetische neutrale deeltjes werd geïnjecteerd om het plasma te verwarmen en aan te drijven. Met vast lithium kon slechts een kleine toename in dichtheid worden gedetecteerd. Toen de neutrale straal werd gebruikt, verdrongen de toegevoegde waterstofionen de waterstofionen die zich al in het plasma bevonden in een proces dat ladingsuitwisseling wordt genoemd.

De onderzoekers denken dat het cruciale verschil te wijten was aan een kleine hoeveelheid lithium die uit de vloeistofwanden van de reactor verdampte en in het plasma terechtkwam. Deze lithiumonzuiverheid in het plasma veranderde de dynamiek van de ladingsuitwisseling, waardoor het plasma waterstofionen kon vasthouden die door de neutrale straal waren toegevoegd zonder andere waterstofionen te verdringen, 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 veilig vooruitgang te kunnen boeken in een toekomstige fase van NSTX-U met vloeibare lithiumwanden zijn kleinschaligere verkenningsexperimenten 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

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *