I composti di litio migliorano le prestazioni del plasma nei dispositivi di fusione proprio come fa il litio puro, un team di fisici del Dipartimento di Energia degli Stati Uniti (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) ha trovato.

La ricerca è stata condotta dall'ex studente laureato in fisica della Princeton University Matt Lucia sotto la guida di Robert Kaita, fisico ricercatore principale presso PPPL e uno dei relatori di tesi di Lucia, così come il team di scienziati che lavorano su una macchina nota come Lithium Tokamak Experiment (LTX). Come parte della sua tesi, Lucia ha studiato come il litio depositato sulle pareti delle macchine per la fusione a forma di ciambella conosciute come tokamak ha influenzato le prestazioni di LTX. Come il plasma all'interno di un tokamak, il plasma all'interno di LTX ha la forma di una ciambella. Il plasma, una zuppa di particelle cariche, è circondato da un guscio di rame con una parete interna in acciaio inossidabile.

Lucia ha utilizzato un nuovo dispositivo noto come Materials Analysis and Particle Probe (MAPP), inventato all'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign e installato su LTX. Il sistema MAPP consente agli scienziati di prelevare campioni in una camera collegata a LTX e studiarli senza compromettere l'ambiente sottovuoto di LTX. MAPP consente agli scienziati di analizzare come i plasmi tokamak influiscono su un materiale subito dopo la fine dell'esperimento. Nel passato, gli scienziati potevano studiare i campioni solo dopo che la macchina era stata spenta per manutenzione; a quel punto, il vuoto era stato rotto e i campioni erano stati esposti a molti esperimenti, così come per l'aria.

Lucia ha usato la tecnica dell'evaporazione per rivestire un pezzo di metallo con litio, e poi ha usato MAPP per esporre il metallo al plasma all'interno di LTX. Come si aspettava, Lucia osservò l'ossido di litio, che si forma quando il litio reagisce con l'ossigeno residuo nella camera a vuoto di LTX. Lui era sorpreso, però, per scoprire che il composto era in grado di assorbire il deuterio quanto lo era il litio puro.

"Matt ha scoperto che anche dopo che il rivestimento al litio è stato permesso di sedersi sui componenti rivolti al plasma all'interno di LTX e ossidarsi, era ancora in grado di legare l'idrogeno, " disse Kaita.

"Per un po, pensavamo che dovessi avere litio di elevata purezza perché pensavamo che se il litio ha già un compagno di ballo, l'ossigeno, non ballerà con l'idrogeno, "ha detto Mike Jaworski, fisico ricercatore presso PPPL e coautore del documento. "Pensavamo che una volta ossidato, il litio sarebbe chimicamente inerte. Ma in effetti abbiamo scoperto che il litio prenderà tutti i partner di ballo che può ottenere".

I risultati di Lucia sono la prima prova diretta che l'ossido di litio si forma sulle pareti del tokamak e che trattiene gli isotopi di idrogeno così come il litio puro. Supportano l'osservazione che l'ossido di litio può formarsi sia su grafite, come le piastrelle in NSTX, e sul metallo, e migliorare le prestazioni del plasma.

I risultati supportano i risultati passati che coinvolgono il National Spherical Torus Experiment (NSTX) di PPPL, un tokamak. Nel 2010, gli scienziati hanno posizionato un grande anello di metallo rivestito di litio sul pavimento del recipiente a vuoto di NSTX. Questo dispositivo, noto come Liquid Lithium Divertor (LLD), è stato il primo tentativo di creare una grande superficie metallica rivestita di litio all'interno di NSTX. Dopo, dopo che il divertore NSTX è stato esposto all'ossigeno residuo nel recipiente a vuoto, gli scienziati hanno studiato la superficie del divertore. I ricercatori hanno riscaldato il divertore e hanno rilevato il deuterio. La scoperta ha suggerito che il deuterio era stato intrappolato dall'ossido di litio nel LLD, ma le prove non erano definitive.

Queste nuove scoperte indicano che il litio all'interno dei tokamak potrebbe non essere così puro come si pensava una volta. Mostrano anche che se le tessere di carbonio in NSTX, ora il National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), vengono sostituiti con piastrelle di metallo e ricoperti di litio, le prestazioni del plasma non dovrebbero diminuire. "La cosa fondamentale è che possiamo continuare a usare l'evaporazione del litio se andiamo su pareti metalliche in NSTX-U, " ha detto Kaita.

Il team deve fare ulteriori ricerche per determinare se questi risultati si applicheranno alle future macchine al plasma, che potrebbe avere pareti metalliche liquide che potrebbero contenere sia litio che ossido di litio. "Se vogliamo estrapolare i nostri risultati a un reattore a fusione, dobbiamo chiederci se gli esperimenti sono indicativi delle prestazioni che potremmo aspettarci in futuro, " ha detto Jaworski. Il prossimo passo in questa ricerca comporterebbe la misurazione precisa del tasso di ritenzione di idrogeno del litio sia puro che ossidato, e confrontandoli rigorosamente.

I risultati sono apparsi nel numero di aprile 2017 di Ingegneria e progettazione della fusione . La ricerca è stata finanziata dal DOE Office of Science (Fusion Energy Sciences).