El mundo de la energía de fusión es un mundo de extremos. Por ejemplo, el centro del plasma ultrarrápido contenido dentro de las paredes de las máquinas de fusión en forma de rosquilla conocidas como tokamaks puede alcanzar temperaturas muy superiores al núcleo solar de 15 millones de grados Celsius.Y a pesar de que la porción de plasma más cercana a las paredes internas del tokamak es de 10 a 20 veces más fría, todavía tiene suficiente energía para erosionar la capa de litio líquido que puede usarse para recubrir los componentes que enfrentan el plasma en futuros tokamaks.trate de saber cómo evitar que las partículas de plasma calientes erosionen el revestimiento protector de litio.
El físico Tyler Abrams ha dirigido experimentos en una instalación en los Países Bajos llamada Magnum-PSI que podría proporcionar una respuesta. La investigación, publicada en Fusión nuclear en diciembre de 2015, descubrió que la combinación de litio con el isótopo de hidrógeno deuterio redujo sustancialmente la erosión. Abrams realizó la investigación como estudiante de doctorado en el Programa Princeton en Física de Plasma, con base sustancial en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton del Departamento de Energía de los Estados Unidos DOEPPPL. Actualmente es investigador postdoctoral en General Atomics. La investigación fue financiada por la Oficina de Ciencia del DOE.
"Un problema potencial con el litio es que tiende a erosionar las superficies de las paredes de la cámara muy rápidamente cuando se calienta", dijo Abrams. "En mi investigación estaba tratando de determinar exactamente cuánto litio realmente sale de la pared debajo delcondiciones esperadas para reactores de fusión "
Los físicos saben desde hace tiempo que en los dispositivos de fusión con bajos niveles de flujo de plasma, lo que significa que el flujo de partículas cargadas dentro de ellos es relativamente pequeño, la velocidad a la que el litio se erosiona depende de la temperatura del plasma. Sin embargo, los físicos no habían estudiado quéles sucedería a los recubrimientos de litio en plasmas de alto flujo con un mayor flujo de partículas. Ese mayor flujo ocurrirá en futuros tokamaks. Los científicos habían pensado que la erosión sería mayor en tales máquinas.
Pero Abrams y el equipo descubrieron que lo contrario era cierto mientras realizaban experimentos en el Instituto Holandés de Investigación de Energía Fundamental. Descubrieron que la cantidad de erosión por litio en los plasmas de alto flujo era mucho menor que en los plasmas de bajo flujo.El equipo conjeturó que la diferencia se derivaba de las propiedades químicas del deuteruro de litio LiD, una molécula creada cuando los átomos de deuterio del plasma se unen con el recubrimiento de litio líquido.
Para probar la conjetura, Abrams y su colega el Dr. Mohan Chen, de la Universidad de Princeton, crearon un programa de computadora que modeló cómo se combina el deuterio con el litio. El nuevo programa de computadora indicó que la baja tasa observada de erosión por litio podría provenir de dos factoresPrimero, las moléculas de deuteruro de litio tienen una fuerte energía de unión, lo que significa que los iones de deuterio entrantes del plasma tienen dificultades para liberar los átomos de litio de sus enlaces. Segundo, cuando los iones de deuterio en un plasma golpean las moléculas de deuteruro de litio, tienden a golpear ellos átomos de deuterio salen de las moléculas y dejan los átomos de litio en su lugar.
Una vez que se completó el programa de computadora, Abrams y los otros científicos realizaron experimentos con Magnum-PSI. Dispararon chorros de plasma en muestras de litio que se colocaron dentro de la máquina y registraron cuánto litio se desprendió. La cantidad de litio quese erosionó fue similar a la cantidad predicha por el modelo de Abrams. Además, las simulaciones mostraron que una capa compuesta de deuteruro de litio se erosionaría 20 veces más lentamente que una capa de litio puro.
"Mis resultados sugieren que el litio es capaz de manejar cantidades significativamente más altas de exposición al plasma y temperaturas más altas de lo que otros habían esperado anteriormente", dijo Abrams. "Esto sugiere que el litio líquido no se erosionará demasiado rápido si se usa en las paredes dereactores de fusión y no contaminarán demasiado el núcleo del plasma, lo que hace que el recubrimiento de litio sea una alternativa mucho más atractiva a las paredes de metales sólidos ".
PPPL, en el Campus Forrestal de la Universidad de Princeton en Plainsboro, NJ, se dedica a crear nuevos conocimientos sobre la física de los plasmas gases ultra calientes y cargados y a desarrollar soluciones prácticas para la creación de energía de fusión. Resultados de PPPLLa investigación ha abarcado desde un detector portátil de materiales nucleares para uso antiterrorista hasta códigos informáticos empleados universalmente para analizar y predecir el resultado de los experimentos de fusión. El Laboratorio es administrado por la Universidad de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU.Partidario único de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos, y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio de física de plasma de Princeton . Original escrito por Raphael Rosen. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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