Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass es möglicherweise einfacher ist, Fusion als Energiequelle zu nutzen, wenn flüssiges Lithium auf die Innenwände des Geräts aufgetragen wird, in dem sich das Fusionsplasma befindet.
Plasma, der vierte Aggregatzustand, ist ein heißes Gas aus elektrisch geladenen Teilchen. Wissenschaftler am Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des Energieministeriums arbeiten an Lösungen, um die Kraft der Fusion effizient zu nutzen, um eine sauberere Alternative zu fossilen Brennstoffen anzubieten. Dabei kommen häufig Geräte namens Tokamaks zum Einsatz, die Plasma mithilfe von Magnetfeldern einschließen.
„Der Zweck dieser Geräte besteht darin, die Energie zu begrenzen“, sagte Dennis Boyle, ein angestellter Forschungsphysiker am PPPL. „Wenn man eine viel bessere Energieeindämmung hätte, könnte man die Maschinen kleiner und kostengünstiger machen. Das würde das Ganze viel praktischer und kostengünstiger machen, so dass Regierungen und Industrie mehr in sie investieren wollen.“
Die neuen Erkenntnisse, die kürzlich in einer eingeladenen Präsentation von Boyle auf einem Treffen der Abteilung für Plasmaphysik der American Physical Society hervorgehoben wurden, sind Teil des Lithium Tokamak Experiment-Beta (LTX-β) des Labors. Verwandte Forschung ist auch veröffentlicht im Tagebuch Kernmaterialien und Energie.
In jüngsten Experimenten sorgte eine Beschichtung aus flüssigem Lithium auf der Innenseite der Tokamak-Wand dafür, dass das Plasma am Rand heiß blieb. Die Aufrechterhaltung einer heißen Kante ist der Schlüssel zu ihrem einzigartigen Ansatz, von dem die Wissenschaftler hoffen, dass er eines Tages zum Entwurf eines Fusionskraftwerks beitragen wird. Frühere LTX-β-Experimente untersuchten feste Lithiumbeschichtungen und fanden heraus, dass sie ein Plasma verstärken können. Die Forscher waren erfreut, dass sie mit flüssigem Lithium ähnliche Ergebnisse erzielen konnten, da es sich besser für den Einsatz in einem Tokamak im großen Maßstab eignet.
Richard Majeski, geschäftsführender Forschungsphysiker am PPPL und Leiter von LTX-β, stellte fest, dass eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Fusionsenergie darin besteht, eine tragfähige Wand für das Gerät zu bauen, das das Plasma einschließt. PPPL widmet sich der Suche nach Lösungen für diese und andere Herausforderungen, um die Lücken bei der Einspeisung von Fusionsenergie in das Stromnetz zu schließen.
„Obwohl LTX-β ein kugelförmiger Tokamak von sehr bescheidener Größe ist, ist es das erste und immer noch einzige Plasmaeinschlussgerät der Welt, dessen Kernplasma vollständig von einer flüssigen Lithiumwand umgeben ist“, sagte Majeski. „Die Ergebnisse von LTX-β waren sehr vielversprechend – flüssiges Lithium sorgt nicht nur für eine Wand, die dem Kontakt mit einem 2 Millionen Grad heißen Plasma standhält, es verbessert sogar die Leistung des Plasmas.“
Das flüssige Lithium könnte den Reparaturbedarf verringern und als Schutz für die Innenwände des Geräts dienen, da diese der extremen Hitze des Plasmas ausgesetzt sind.
Das flüssige Lithium absorbierte etwa 40 % der aus dem Plasma austretenden Wasserstoffionen, so dass weniger dieser Partikel als relativ kaltes Neutralgas wieder in das Plasma zurückgeführt wurden. Wissenschaftler bezeichnen dies als eine Umgebung mit geringem Recycling, da ein Großteil der aus dem Plasma ausgestoßenen Wasserstoffionen nicht auf eine Weise in das Plasma zurückgeführt wird, die den Plasmarand kühlen würde.
Letztendlich führte diese Umgebung mit geringem Recycling dazu, dass die Temperatur am Rand des Plasmas näher an der Temperatur im Kern des Plasmas lag. Diese Gleichmäßigkeit der Temperatur sollte es dem Plasma ermöglichen, die Wärme besser einzudämmen, als dies ohne das flüssige Lithium wahrscheinlich der Fall wäre, indem verschiedene Instabilitäten vermieden werden.
Das flüssige Lithium ermöglichte auch eine Erhöhung der Plasmadichte, wenn ein Strahl hochenergetischer Neutralteilchen injiziert wurde, um das Plasma zu erhitzen und anzutreiben. Bei festem Lithium konnte nur eine geringe Dichtezunahme nachgewiesen werden. Bei Verwendung des neutralen Strahls verdrängten die hinzugefügten Wasserstoffionen bereits im Plasma befindliche Wasserstoffionen in einem Prozess, der als Ladungsaustausch bezeichnet wird.
Die Forscher glauben, dass der entscheidende Unterschied auf eine kleine Menge Lithium zurückzuführen ist, die von den Flüssigkeitswänden des Reaktors verdampfte und in das Plasma gelangte. Diese Lithiumverunreinigung im Plasma veränderte die Dynamik des Ladungsaustauschs und ermöglichte es dem Plasma, durch den neutralen Strahl hinzugefügte Wasserstoffionen zurückzuhalten, ohne andere Wasserstoffionen zu verdrängen, was insgesamt zu einer Erhöhung der Plasmadichte führte.
„Die Implementierung von Wänden aus flüssigem Lithium in einem viel größeren Tokamak wird schwierig und teuer sein. Um in einer zukünftigen Phase von NSTX-U mit Wänden aus flüssigem Lithium sicher voranzukommen, sind Erkundungsexperimente in kleinerem Maßstab unerlässlich. LTX-β ist genau das.“ Experiment“, sagte Majeski.
Mehr Informationen:
A. Maan et al., Verbesserte Neutral- und Plasmadichtekontrolle mit zunehmenden Lithiumwandbeschichtungen im Lithium Tokamak Experiment-β (LTX-β), Kernmaterialien und Energie (2023). DOI: 10.1016/j.nme.2023.101408