Em um reator de fusão de confinamento de campo magnético, mantemos o plasma de alta temperatura através das linhas do campo magnético, fazendo o plasma flutuar para longe de um recipiente. Contudo, lá forma inevitavelmente um local onde o plasma atinge. Em tal lugar, para receber o calor do plasma, é montado um dispositivo de absorção de calor denominado divertor. Nos dispositivos experimentais atuais de plasma, incluindo o Large Helical Device (LHD) no National Institute for Fusion Science (NIFS), um divertor sólido é normalmente usado, onde o plasma é guiado para uma placa ou bloco composto de carbono ou tungstênio e essas placas ou blocos são resfriados por água. No International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), também, está sendo adotado um divertor sólido composto por blocos de tungstênio que serão resfriados por água.

O divertido divertor, porque sofre desgaste por ser atingido por plasmas de alta temperatura, requer manutenção frequente. No NIFS, o reator de fusão do tipo helicoidal, para o qual a pesquisa de design está sendo avançada, tem a característica especial de boas perspectivas de operação estável. Por outro lado, porque a estrutura é tridimensional e complicada, como a manutenção do divertor será realizada está se tornando uma questão tecnológica difícil.

No futuro reator de fusão, a quantidade de calor que o divertor receberá ficará maior, e existe a preocupação de que o fluxo de calor ultrapasse o valor do projeto ITER substancialmente, que é aproximadamente 20 megawatts por um metro quadrado. Como um divertor que suportará esse fluxo de calor extremamente alto, métodos usando metal líquido têm sido propostos e considerados por mais de 40 anos. A ideia tem sido receber o alto fluxo de calor com o fluxo de lítio derretido, lata, e outros metais líquidos. Se a velocidade do fluxo pode exceder vários metros por segundo, então, o divertor pode suportar o alto fluxo de calor do plasma de fusão. Por outro lado, porque as partículas que foram convertidas em gás neutro de um plasma param no divertor, o papel de exaurir esses gases para o exterior é, portanto, exigido. Em particular, em relação ao reator de fusão do tipo helicoidal com sua estrutura complicada, não houve nenhuma sugestão da idéia de um divertor de metal líquido onde alta resistência ao calor e desempenho de evacuação são compatíveis.

O grupo de pesquisa do Professor Junichi Miyazawa, Professor Akio Sagara, e outros, todos do National Institute for Fusion Science, construiu um novo tipo de sistema de desvio de chuveiro de metal líquido que evacua o plasma como gases neutros antes de chegar ao navio. Eles miraram um jato fino de metal líquido alinhado em uma condição de chuveiro em áreas periféricas do plasma de alta temperatura. Eles utilizaram estanho, que é excelente para baixa pressão de vapor e por ser barato, e também para segurança.

Neste novo método, eles colocaram o aparelho em intervalos em apenas dez lugares dentro do dispositivo de confinamento toroidal (ver Figura 1). Desta maneira, a manutenção torna-se muito mais fácil de realizar. Por outro lado, a área com a qual o plasma pode entrar em contato diminui, e então a carga de calor é bastante aumentada. Se utilizarmos fluxo de metal líquido de alta velocidade, então isso se tornará uma contramedida.

Como o plasma de alta temperatura se move ao longo das linhas do campo magnético, em colocar o metal líquido em uma inclinação, uma parede forte é formada através da qual o plasma não pode passar. (Veja a Figura 2 à esquerda.) O plasma neutralizado na superfície do chuveiro de metal líquido passa pelos interstícios do chuveiro em direção à face posterior, e, portanto, uma evacuação eficaz é possível. (Veja a Figura 2 à direita.)

O chuveiro de metal líquido pode suportar uma carga de calor extremamente grande que excede em aproximadamente dez vezes o valor tolerado pelo recente divertor ITER. Mesmo com uma carga de calor tão alta, aprendemos que se usarmos um fluxo de metal líquido de 4 metros por segundo, a alta carga de calor pode ser facilmente bloqueada. Conforme mostrado na Figura 3, porque existe a característica importante em que quando o plasma toca o chuveiro uma vez, não atinge o navio.

No divertor de chuveiro de metal líquido, é necessário um fluxo estável ao longo de alguns metros. O fluxo é acelerado pela gravidade, e quando o diâmetro se torna fino, a superfície simultaneamente se torna instável, gotas caem, e o spray é gerado. Como um dispositivo que recebe calor, isso não é desejável. A fim de suprimir a velocidade pela gravidade, inserimos um objeto que se tornaria uma resistência ao fluxo dentro do líquido. Na resistência interna, usamos fio e fita, ou uma corrente. Qual é o melhor irá variar dependendo da variedade do fluido e da velocidade de fluxo desejada. Quando há resistência interna, porque a área de alta temperatura e a área de baixa temperatura ficarão facilmente agitadas, também prevemos o efeito que reduz a temperatura mais alta e suprime a evaporação do metal líquido.

Neste novo procedimento, em comparação com os procedimentos utilizados até agora que usaram carbono e outros sólidos, junto com o desempenho resistente ao calor crescendo em mais de 10 vezes, pode-se antecipar que um alto desempenho de evacuação também será alcançado. Avançar, não há restrições contra a longevidade do dispositivo devido ao desgaste causado pelo plasma, e a manutenção do dispositivo torna-se fácil. Como o reator de fusão helicoidal tem uma estrutura tridimensional complicada, acredita-se que usar metal líquido no dispositivo de recepção de calor será problemático. Mas de acordo com esta pesquisa, foi indicado que isso será possível.

Os resultados da pesquisa foram apresentados na 26ª conferência da Agência Internacional de Energia Atômica, realizada de 17 a 22 de outubro em Kyoto, Japão.

Em relação ao divertor que se espera que suporte a carga de calor extremamente alta no reator de fusão, ainda não havia uma resposta. Esta pesquisa fornecerá um avanço em relação a este difícil problema, e será um passo importante para alcançar o futuro reator de fusão.

Em relação a esta pesquisa, desenvolvemos uma tecnologia para estabilizar um fluxo que excede vários metros. (O pedido de patente está atualmente em revisão.) O fluxo de líquido, como água potável que flui de torneiras e água de caminhão de bombeiros, é um fenômeno convencional. Mas, nas formas de usar o fluxo de líquidos, muitas possibilidades estão ocultas. Em particular, em um fluxo de líquido estável e longo, desde os campos da agricultura e química até os campos baseados em nossas vidas, como o umidificador e a decoração de interiores, há uma grande variedade de aplicações. Mesmo como um tópico de pesquisa acadêmica, a água é cativante. Se for chamada a atenção para a utilidade do fluxo de líquido por esta pesquisa, podemos antecipar novas atividades em campos de pesquisa relacionados.