Ricerche emergenti suggeriscono che potrebbe essere più semplice utilizzare la fusione come fonte di energia se si applicasse litio liquido alle pareti interne del dispositivo che ospita il plasma di fusione.
Il plasma, il quarto stato della materia, è un gas caldo costituito da particelle caricate elettricamente. Gli scienziati del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia stanno lavorando a soluzioni per sfruttare in modo efficiente la potenza della fusione per offrire un'alternativa più pulita ai combustibili fossili, spesso utilizzando dispositivi chiamati tokamak, che confinano il plasma utilizzando campi magnetici.
"Lo scopo di questi dispositivi è quello di confinare l'energia", ha affermato Dennis Boyle, fisico ricercatore del PPPL. "Se avessi un confinamento energetico molto migliore, potresti rendere le macchine più piccole e meno costose. Ciò renderebbe il tutto molto più pratico ed economico, tanto che i governi e l'industria vorrebbero investire di più in esso."
Le nuove scoperte, che sono state evidenziate in una recente presentazione su invito di Boyle a un incontro della Divisione di fisica del plasma dell'American Physical Society, fanno parte del Lithium Tokamak Experiment-Beta (LTX-β) del laboratorio. Una ricerca correlata è pubblicata anche sulla rivista Nuclear Materials and Energy .
In recenti esperimenti, un rivestimento di litio liquido aggiunto all’interno della parete del tokamak ha aiutato il plasma a rimanere caldo ai bordi. Mantenere un punto caldo è la chiave del loro approccio unico, che gli scienziati sperano possa un giorno contribuire alla progettazione di una centrale elettrica a fusione. Precedenti esperimenti con LTX-β hanno studiato i rivestimenti solidi di litio e hanno scoperto che potrebbero migliorare un plasma. I ricercatori sono stati lieti di poter ottenere risultati simili con il litio liquido, poiché è più adatto all'uso in un tokamak su larga scala.
Richard Majeski, fisico ricercatore principale presso PPPL e capo di LTX-β, ha osservato che una delle maggiori sfide nello sviluppo dell'energia di fusione è costruire un muro praticabile per il dispositivo che confina il plasma. PPPL si impegna a trovare soluzioni a questa e ad altre sfide per contribuire a colmare le lacune nel portare l'energia da fusione nella rete elettrica.
"Sebbene LTX-β sia un tokamak sferico di dimensioni molto modeste, è il primo e tuttora l'unico dispositivo di confinamento del plasma al mondo con un nucleo di plasma completamente contenuto da una parete di litio liquido", ha affermato Majeski. "I risultati dell'LTX-β sono stati molto promettenti:il litio liquido non solo fornisce una parete in grado di resistere al contatto con un plasma a 2 milioni di gradi, ma migliora effettivamente le prestazioni del plasma."
Il litio liquido potrebbe ridurre la necessità di riparazioni, agendo come uno scudo per le pareti interne del dispositivo poiché esposte al calore estremo del plasma.
Il litio liquido ha assorbito circa il 40% degli ioni idrogeno in fuga dal plasma, quindi un numero inferiore di queste particelle è stato riciclato nel plasma come gas neutro relativamente freddo. Gli scienziati lo definiscono un ambiente a basso riciclaggio perché gran parte degli ioni idrogeno espulsi dal plasma non vengono riciclati al suo interno in modo da raffreddare il bordo del plasma.
In definitiva, questo ambiente a basso riciclo significava che la temperatura ai bordi del plasma era più vicina alla temperatura al centro del plasma. Tale uniformità di temperatura dovrebbe consentire al plasma di confinare il calore meglio di quanto probabilmente farebbe senza il litio liquido, evitando una serie di instabilità.
Il litio liquido ha inoltre consentito un aumento della densità del plasma quando un fascio di particelle neutre ad alta energia veniva iniettato per riscaldare e alimentare il plasma. Con il litio solido è stato dimostrato solo un piccolo aumento di densità. Quando è stato utilizzato il raggio neutro, gli ioni idrogeno aggiunti hanno espulso gli ioni idrogeno già presenti nel plasma in un processo noto come scambio di carica.
I ricercatori ritengono che la differenza fondamentale sia dovuta a una piccola quantità di litio che evapora dalle pareti liquide del reattore ed entra nel plasma. Questa impurità di litio nel plasma ha cambiato la dinamica dello scambio di carica e ha consentito al plasma di trattenere gli ioni idrogeno aggiunti dal fascio neutro senza eliminare altri ioni idrogeno, con conseguente aumento complessivo della densità del plasma.
"Implementare pareti di litio liquido in un tokamak molto più grande sarà difficile e costoso. Per procedere con sicurezza con le pareti di litio liquido in una fase futura di NSTX-U, sono essenziali esperimenti esplorativi su scala più piccola. LTX-β è proprio questo esperimento", ha detto Majeski.
Ulteriori informazioni: A. Maan et al, Miglioramento del controllo della densità neutra e del plasma con l'aumento dei rivestimenti delle pareti al litio nell'esperimento Lithium Tokamak Experiment-β (LTX-β), Nuclear Materials and Energy (2023). DOI:10.1016/j.nme.2023.101408
Fornito dal Princeton Plasma Physics Laboratory
