Las investigaciones emergentes sugieren que puede ser más fácil utilizar la fusión como fuente de energía si se aplica litio líquido a las paredes internas del dispositivo que alberga el plasma de fusión.
El plasma, el cuarto estado de la materia, es un gas caliente formado por partículas cargadas eléctricamente. Los científicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía están trabajando en soluciones para aprovechar de manera eficiente el poder de la fusión para ofrecer una alternativa más limpia a los combustibles fósiles, a menudo utilizando dispositivos llamados tokamaks, que confinan el plasma mediante campos magnéticos.
"El propósito de estos dispositivos es confinar la energía", dijo Dennis Boyle, físico investigador del PPPL. "Si se tuviera un confinamiento energético mucho mejor, se podrían hacer las máquinas más pequeñas y menos costosas. Eso haría que todo fuera mucho más práctico y rentable, de modo que los gobiernos y la industria quisieran invertir más en ello".
Los nuevos hallazgos, que fueron destacados en una presentación reciente invitada por Boyle en una reunión de la División de Física del Plasma de la Sociedad Estadounidense de Física, son parte del Experimento Beta Tokamak de Litio (LTX-β) del laboratorio. La investigación relacionada también se publica en la revista Nuclear Materials and Energy. .
En experimentos recientes, una capa de litio líquido agregada al interior de la pared del tokamak ayudó a que el plasma se mantuviera caliente en su borde. Mantener un borde caliente es clave para su enfoque único, que los científicos esperan que algún día contribuya al diseño de una planta de energía de fusión. Experimentos anteriores con LTX-β estudiaron recubrimientos sólidos de litio y descubrieron que podían mejorar el plasma. Los investigadores se alegraron de poder obtener resultados similares con litio líquido, ya que es más adecuado para su uso en un tokamak a gran escala.
Richard Majeski, físico investigador principal de PPPL y director de LTX-β, señaló que uno de los mayores desafíos en el desarrollo de la energía de fusión es construir una pared viable para el dispositivo que confina el plasma. PPPL se dedica a encontrar soluciones a este y otros desafíos para ayudar a cerrar las brechas a la hora de llevar la energía de fusión a la red eléctrica.
"Aunque el LTX-β es un tokamak esférico de tamaño muy modesto, es el primer y único dispositivo de confinamiento de plasma del mundo con un núcleo de plasma completamente contenido por una pared de litio líquido", afirmó Majeski. "Los resultados de LTX-β han sido muy prometedores:el litio líquido no sólo proporciona una pared que puede resistir el contacto con un plasma de 2 millones de grados, sino que también mejora el rendimiento del plasma".
El litio líquido podría reducir la necesidad de reparaciones, actuando como un escudo para las paredes internas del dispositivo, ya que están expuestas al calor extremo del plasma.
El litio líquido absorbió alrededor del 40% de los iones de hidrógeno que escapaban del plasma, por lo que menos partículas de estas se reciclaron nuevamente al plasma como un gas neutro relativamente frío. Los científicos se refieren a esto como un ambiente de bajo reciclaje porque muchos de los iones de hidrógeno expulsados del plasma no se reciclan de una manera que enfriaría el borde del plasma.
En última instancia, este entorno de bajo reciclaje significó que la temperatura en el borde del plasma estaba más cerca de la temperatura en el centro del plasma. Esa uniformidad de temperatura debería permitir que el plasma confine el calor mejor de lo que probablemente lo habría hecho sin el litio líquido, evitando una variedad de inestabilidades.
El litio líquido también permitió un aumento en la densidad del plasma cuando se inyectó un haz de partículas neutras de alta energía para calentar y alimentar el plasma. Con el litio sólido, sólo se demostró un pequeño aumento de densidad. Cuando se utilizó el haz neutro, los iones de hidrógeno añadidos expulsaron los iones de hidrógeno que ya estaban en el plasma en un proceso conocido como intercambio de carga.
Los investigadores creen que la diferencia clave se debe a una pequeña cantidad de litio que se evaporó de las paredes líquidas del reactor y entró en el plasma. Esta impureza de litio en el plasma cambió la dinámica del intercambio de carga y permitió que el plasma retuviera los iones de hidrógeno agregados por el haz neutro sin eliminar otros iones de hidrógeno, lo que resultó en un aumento general en la densidad del plasma.
"Implementar paredes de litio líquido en un tokamak mucho más grande será difícil y costoso. Para avanzar con confianza con paredes de litio líquido en una fase futura de NSTX-U, son esenciales experimentos exploratorios a menor escala. LTX-β es precisamente eso experimento", afirmó Majeski.
Más información: A. Maan et al, Control mejorado de la densidad neutra y del plasma con crecientes recubrimientos de pared de litio en el Experimento Tokamak de litio-β (LTX-β), Materiales y energía nucleares (2023). DOI:10.1016/j.nme.2023.101408
Proporcionado por el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton
