Los compuestos de litio mejoran el rendimiento del plasma en dispositivos de fusión tan bien como lo hace el litio puro, ha descubierto un equipo de físicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE).

La investigación fue realizada por el ex estudiante graduado de física de la Universidad de Princeton Matt Lucia bajo la dirección de Robert Kaita, físico investigador principal de PPPL y uno de los asesores de tesis de Lucía, así como el equipo de científicos que trabaja en una máquina conocida como Lithium Tokamak Experiment (LTX). Como parte de su disertación, Lucía investigó cómo el litio depositado en las paredes de las máquinas de fusión en forma de rosquilla conocidas como tokamaks afectaba el rendimiento de LTX. Como el plasma dentro de un tokamak, el plasma dentro de LTX tiene forma de rosquilla. El plasma una sopa de partículas cargadas, está rodeado por una carcasa de cobre con una pared interior de acero inoxidable.

Lucía usó un nuevo dispositivo conocido como Análisis de Materiales y Sonda de Partículas (MAPP), inventado en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign e instalado en LTX. El sistema MAPP permite a los científicos extraer muestras en una cámara conectada a LTX y estudiarlas sin comprometer el entorno de vacío de LTX. MAPP permite a los científicos analizar cómo los plasmas tokamak afectan un material inmediatamente después de que finaliza el experimento. En el pasado, los científicos solo podían estudiar las muestras después de que la máquina se hubiera apagado por mantenimiento; en ese punto, el vacío se había roto y las muestras habían sido expuestas a muchos experimentos, así como al aire.

Lucía usó la técnica de evaporación para recubrir una pieza de metal con litio, y luego usó MAPP para exponer el metal al plasma dentro de LTX. Como esperaba, Lucía observó óxido de litio, que se forma cuando el litio reacciona con el oxígeno residual en la cámara de vacío del LTX. Él estaba sorprendido, sin embargo, para encontrar que el compuesto era tan capaz de absorber deuterio como lo era el litio puro.

"Matt descubrió que incluso después de que se permitió que el revestimiento de litio se asentara sobre los componentes que miran al plasma dentro de LTX y se oxidara, todavía era capaz de unir hidrógeno, "dijo Kaita.

"Por un momento, pensamos que tenías que tener litio de alta pureza porque pensamos que si el litio ya tiene un compañero de baile, oxígeno, no va a bailar con hidrógeno, "dijo Mike Jaworski, físico investigador en PPPL y coautor del artículo. "Pensamos que una vez oxidado, el litio sería químicamente inerte. Pero, de hecho, descubrimos que el litio tomará todas las parejas de baile que pueda conseguir ".

Los resultados de Lucia son la primera evidencia directa de que el óxido de litio se forma en las paredes del tokamak y que retiene los isótopos de hidrógeno tan bien como lo hace el litio puro. Apoyan la observación de que se puede formar óxido de litio tanto en grafito como en como los mosaicos en NSTX, y sobre metal, y mejorar el rendimiento del plasma.

Los resultados respaldan los hallazgos anteriores relacionados con el Experimento Nacional de Torus Esférico (NSTX) de PPPL, un tokamak. En 2010, Los científicos colocaron un gran anillo de metal recubierto con litio en el piso del recipiente de vacío de NSTX. Este dispositivo, conocido como Liquid Lithium Divertor (LLD), fue el primer intento de crear una gran superficie metálica recubierta de litio dentro de NSTX. Más tarde, después de que el desviador NSTX se haya expuesto a oxígeno residual en el recipiente de vacío, los científicos estudiaron la superficie del desviador. Los investigadores calentaron el desviador y detectaron deuterio. El hallazgo insinuó que el deuterio había sido atrapado por el óxido de litio en el LLD, pero la evidencia no fue definitiva.

Estos nuevos hallazgos indican que es posible que el litio dentro de los tokamaks no tenga que ser tan puro como se pensaba. También muestran que si las baldosas de carbono en NSTX, ahora el Experimento-Actualización Nacional de Torus Esférico (NSTX-U), se reemplazan con tejas metálicas y se recubren con litio, el rendimiento plasmático no debería disminuir. "La clave es que podemos seguir usando la evaporación de litio si vamos a paredes metálicas en NSTX-U, "Dijo Kaita.

El equipo tiene que investigar más para determinar si estos hallazgos se aplicarán a las futuras máquinas de plasma. que podría tener paredes de metal líquido fluidas que podrían contener tanto litio como óxido de litio. "Si queremos extrapolar nuestros resultados a un reactor de fusión, tenemos que preguntarnos si los experimentos son indicativos del rendimiento que podríamos esperar en el futuro, ", dijo Jaworski. El siguiente paso en esta investigación implicaría medir con precisión la tasa de retención de hidrógeno del litio puro y oxidado, y compararlos rigurosamente.

Los hallazgos aparecieron en la edición de abril de 2017 de Ingeniería y diseño de fusión . La investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias del DOE (Fusion Energy Sciences).