Os compostos de lítio melhoram o desempenho do plasma em dispositivos de fusão tão bem quanto o lítio puro, uma equipe de físicos do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) descobriu.

A pesquisa foi conduzida pelo ex-aluno de graduação em física da Universidade de Princeton Matt Lucia sob a orientação de Robert Kaita, principal físico pesquisador do PPPL e um dos orientadores de tese de Lúcia, bem como a equipe de cientistas trabalhando em uma máquina conhecida como Lithium Tokamak Experiment (LTX). Como parte de sua dissertação, Lucia investigou como o lítio depositado nas paredes das máquinas de fusão em formato de rosca conhecidas como tokamaks afetava o desempenho do LTX. Como o plasma dentro de um tokamak, o plasma dentro do LTX tem a forma de um donut. O plasma, uma sopa de partículas carregadas, é rodeado por uma concha de cobre com uma parede interna de aço inoxidável.

Lucia usou um novo dispositivo conhecido como Análise de Materiais e Sonda de Partículas (MAPP), inventado na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e instalado no LTX. O sistema MAPP permite que os cientistas retirem amostras para uma câmara conectada ao LTX e as estudem sem comprometer o ambiente de vácuo do LTX. O MAPP permite que os cientistas analisem como os plasmas tokamak afetam um material imediatamente após o término do experimento. No passado, os cientistas só puderam estudar as amostras depois que a máquina foi desligada para manutenção; nesse ponto, o vácuo foi quebrado e as amostras foram expostas a muitos experimentos, bem como ao ar.

Lucia usou a técnica de evaporação para revestir um pedaço de metal com lítio, e então usou MAPP para expor o metal ao plasma dentro do LTX. Como ele esperava, Lucia observou óxido de lítio, que se forma quando o lítio reage com o oxigênio residual na câmara de vácuo do LTX. Ele foi surpreendido, Contudo, descobrir que o composto era tão capaz de absorver deutério quanto o lítio puro.

"Matt descobriu que, mesmo depois que o revestimento de lítio foi permitido assentar nos componentes voltados para o plasma dentro do LTX e oxidar, ainda era capaz de se ligar ao hidrogênio, "disse Kaita.

"Por um tempo, estávamos pensando que você precisava de lítio de alta pureza porque pensamos que se o lítio já tiver um parceiro de dança - oxigênio - ele não vai dançar com o hidrogênio, "disse Mike Jaworski, físico pesquisador do PPPL e coautor do artigo. "Pensamos que, uma vez oxidado, o lítio seria quimicamente inerte. Mas, na verdade, descobrimos que o lítio levará todos os parceiros de dança que puder. "

Os resultados de Lucia são a primeira evidência direta de que o óxido de lítio se forma nas paredes do tokamak e que retém os isótopos de hidrogênio tão bem quanto o lítio puro. Eles apóiam a observação de que o óxido de lítio pode se formar em grafite, como os blocos em NSTX, e no metal, e melhorar o desempenho do plasma.

Os resultados apóiam as descobertas anteriores envolvendo o National Spherical Torus Experiment (NSTX) do PPPL, um tokamak. Em 2010, os cientistas colocaram um grande anel de metal revestido com lítio no chão do recipiente a vácuo do NSTX. Este aparelho, conhecido como Divertor de Lítio Líquido (LLD), foi a primeira tentativa de criar uma grande superfície de metal revestida de lítio dentro do NSTX. Mais tarde, depois que o NSTX divertor foi exposto a oxigênio residual no recipiente de vácuo, os cientistas estudaram a superfície do divertor. Os pesquisadores aqueceram o divertor e detectaram o deutério. A descoberta deu a entender que o deutério foi preso pelo óxido de lítio no LLD, mas a evidência não era definitiva.

Essas novas descobertas indicam que o lítio dentro dos tokamaks pode não precisar ser tão puro quanto se pensava. Eles também mostram que se as placas de carbono em NSTX, agora o National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), são substituídos por telhas de metal e revestidos com lítio, o desempenho do plasma não deve diminuir. "O principal é que podemos continuar usando a evaporação de lítio se formos para paredes de metal em NSTX-U, "Kaita disse.

A equipe tem que fazer mais pesquisas para determinar se essas descobertas se aplicarão a futuras máquinas de plasma, que pode ter paredes de metal líquido fluindo que podem conter lítio e óxido de lítio. "Se quisermos extrapolar nossos resultados para um reator de fusão, temos que perguntar se os experimentos são indicativos do desempenho que poderíamos esperar no futuro, "disse Jaworski. O próximo passo nesta pesquisa envolveria medir com precisão a taxa de retenção de hidrogênio do lítio puro e oxidado, e comparando-os rigorosamente.

Os resultados apareceram na edição de abril de 2017 da Engenharia e Design de Fusão . A pesquisa foi financiada pelo DOE Office of Science (Fusion Energy Sciences).