Litio, il metallo argenteo che alimenta gli smartphone e aiuta a curare i disturbi bipolari, potrebbe anche svolgere un ruolo significativo nello sforzo mondiale per raccogliere sulla Terra il sicuro, energia di fusione pulita e virtualmente illimitata che alimenta il sole e le stelle. Primi risultati del Lithium Tokamak Experiment-Beta (LTX-β) ampiamente aggiornato presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, dimostrare che i principali miglioramenti funzionano come previsto e migliorano le prestazioni del caldo, plasma carico che alimenterà i futuri reattori a fusione.

Più rilevante per la fusione

L'aggiornamento di tre anni ha trasformato quello che ora è l'LTX-β in un più caldo, dispositivo più denso e più rilevante per la fusione che testerà quanto bene il rivestimento di tutte le pareti rivolte al plasma con litio liquido può migliorare il confinamento e aumentare la temperatura del plasma. "Abbiamo raggiunto molti dei nostri obiettivi ingegneristici iniziali, " ha detto il fisico Drew Elliott dell'Oak Ridge National Laboratory, un importante collaboratore della LTX-β. Elliott, su incarico a lungo termine in PPPL, è stato l'autore principale del primo documento sui risultati riportato in Transazioni IEEE nella scienza del plasma .

Le reazioni di fusione combinano elementi leggeri sotto forma di plasma, lo stato della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici che costituisce il 99% dell'universo visibile, per rilasciare enormi quantità di energia. I fisici di tutto il mondo stanno cercando di duplicare e controllare le reazioni di fusione per creare illimitate sicure, energia senza emissioni di carbonio per generare elettricità.

Caratteristiche principali dell'LTX-β, una versione più piccola delle strutture tokamak magnetiche a forma di ciambella ampiamente utilizzate che ospitano reazioni di fusione, includere questi fattori:un potente iniettore a raggio neutro per riscaldare e alimentare il plasma; un campo magnetico quasi raddoppiato rispetto al dispositivo precedente; e un doppio sistema di evaporazione per rivestire completamente il litio liquido su tutte le superfici rivolte al plasma.

Pronostici corrispondenti

Il funzionamento del raggio corrispondeva bene alle previsioni della frazione di potenza che avrebbe depositato nel plasma, piuttosto che semplicemente splendere attraverso di essa. "Stiamo cercando di aumentare la deposizione di potenza verso il 100% in modo che tutta la potenza che iniettiamo vada nel plasma, " disse Elliott, che ha guidato l'ottimizzazione del raggio neutro, che si basa sulla tecnologia sperimentata all'ORNL negli anni '70. "Sarà una grande spinta scientifica, nelle prossime campagne".

I miglioramenti sostanziali mirano a verificare se l'LTX-β può migliorare le prestazioni del plasma oltre i notevoli risultati del suo predecessore. Questi includono la dimostrazione di temperature che rimangono costanti, o piatto, dal nucleo caldo del plasma al bordo esterno normalmente freddo.

Tali profili di temperatura senza gradienti, il primo mai visto in un impianto di fusione magnetica nel dispositivo precedente, derivano dalla capacità del litio di trattenere le particelle vaganti che fuoriescono dal nucleo del plasma e impedire loro di riciclarsi e raffreddare il bordo e il nucleo del plasma. Il mantenimento del bordo caldo espande il volume di plasma disponibile per la fusione e la produzione di una temperatura piatta impedisce lo sviluppo di instabilità che riducono il confinamento del plasma.

Obiettivi dell'aggiornamento

"Gli obiettivi dell'aggiornamento sono determinare se le pareti al litio a riciclaggio molto basso possono migliorare il confinamento del plasma in un tokamak con riscaldamento a raggio neutro, " disse Dick Majeski, investigatore principale per LTX-β. "Se LTX-β ha successo, possiamo passare agli esperimenti sul litio liquido nel National Spherical Torus Experiment-Upgrade [NSTX-U], " l'esperimento di fusione di punta al PPPL.

La corsa iniziale dell'LTX-β ha dimostrato miglioramenti che includevano quanto segue:

• Aumento del rifornimento e della densità del plasma, obiettivi principali dell'iniettore a raggio neutro;
• Aumento della deposizione di litio liquido su oltre il 90% delle pareti interne dell'LTX-β;
• Scariche di plasma più lunghe, o impulsi, abilitato dal campo magnetico rafforzato; e
• Corrente di plasma più elevata, un elemento critico che causa la spirale del campo magnetico, che è necessario per confinare il plasma.

Nell'aggiornamento sono installate anche nuove diagnostiche al plasma che caratterizzeranno ulteriormente il regime operativo ampliato della struttura. E ancora da mettere in servizio sono la diagnostica avanzata che misurerà il profilo preciso di diversi parametri del plasma.

"L'aggiunta del raggio neutro aumenta la potenza in ingresso al plasma di un ordine di grandezza e ha il potenziale di creare un regime di plasma rilevante per la fusione con prestazioni migliorate, " disse Phil Eftimion, capo del dipartimento di scienza e tecnologia del plasma di PPPL che include l'LTX-β. "Dick Majeski e l'intero team LTX-β dovrebbero essere lodati per aver completato questo aggiornamento aggressivo nel budget e nei tempi.

Esperti negli Stati Uniti

L'aggiornamento tirato da esperti negli Stati Uniti, compresa la collaborazione di PPPL, ORNL, Università di Princeton, l'Università della California, Los Angeles (UCLA), e l'Università del Tennessee, Knoxville, e fornisce uno strumento significativo per la ricerca sulla fusione.

"ORNL e PPPL sono partner da molti anni nella scienza e nella tecnologia della fusione, e questo continua quella forte unione, " disse Mickey Wade, direttore della Divisione Energia da Fusione dell'ORNL. "LTX-β consentirà alla comunità della fusione di approfondire la promessa del litio e ciò che potrebbe sbloccare nel consentire l'energia di fusione pratica".

Majeski ha grandi progetti davanti. "Nel futuro, vorremmo aumentare la lunghezza dell'impulso del raggio neutro per fornire un periodo più lungo di riscaldamento e rifornimento per il plasma, " ha detto. "Il raggio aggiunge molta flessibilità all'esperimento, e vogliamo sfruttare le nuove capacità".