Pesquisas emergentes sugerem que pode ser mais fácil usar a fusão como fonte de energia se o lítio líquido for aplicado nas paredes internas do dispositivo que abriga o plasma de fusão.



O plasma, o quarto estado da matéria, é um gás quente feito de partículas eletricamente carregadas. Cientistas do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia estão trabalhando em soluções para aproveitar de forma eficiente o poder da fusão para oferecer uma alternativa mais limpa aos combustíveis fósseis, muitas vezes usando dispositivos chamados tokamaks, que confinam o plasma usando campos magnéticos.

“O objetivo desses dispositivos é confinar a energia”, disse Dennis Boyle, físico pesquisador do PPPL. “Se tivéssemos um confinamento de energia muito melhor, poderíamos tornar as máquinas menores e mais baratas. Isso tornaria tudo muito mais prático e econômico, para que os governos e a indústria quisessem investir mais nisso.”

As novas descobertas, que foram destacadas em uma recente apresentação convidada de Boyle em uma reunião da Divisão de Física de Plasmas da American Physical Society, fazem parte do Experimento-Beta de Lítio Tokamak (LTX-β) do Laboratório. Pesquisas relacionadas também são publicadas na revista Nuclear Materials and Energy .

Em experimentos recentes, um revestimento de lítio líquido adicionado ao interior da parede do tokamak ajudou o plasma a permanecer quente nas bordas. Manter a vantagem é fundamental para a sua abordagem única, que os cientistas esperam que um dia contribua para os projetos de uma central de energia de fusão. Experimentos anteriores com LTX-β estudaram revestimentos sólidos de lítio e descobriram que eles poderiam melhorar o plasma. Os pesquisadores ficaram satisfeitos por conseguirem resultados semelhantes com o lítio líquido, já que é mais adequado para uso em um tokamak de grande escala.

Richard Majeski, principal físico de pesquisa do PPPL e chefe do LTX-β, observou que um dos maiores desafios no desenvolvimento da energia de fusão é construir uma parede viável para o dispositivo que confina o plasma. A PPPL dedica-se a encontrar soluções para este e outros desafios para ajudar a colmatar as lacunas no fornecimento de energia de fusão à rede eléctrica.

“Embora o LTX-β seja um tokamak esférico de tamanho muito modesto, é o primeiro e ainda o único dispositivo de confinamento de plasma no mundo com um núcleo de plasma completamente contido por uma parede de lítio líquido”, disse Majeski. “Os resultados do LTX-β têm sido muito promissores – o lítio líquido não apenas fornece uma parede que pode suportar o contato com um plasma de 2 milhões de graus, mas na verdade melhora o desempenho do plasma”.

O lítio líquido pode reduzir a necessidade de reparos, atuando como uma proteção para as paredes internas do aparelho, pois ficam expostas ao calor extremo do plasma.

O lítio líquido absorveu cerca de 40% dos íons de hidrogênio que escapavam do plasma, de modo que menos dessas partículas foram recicladas de volta ao plasma como um gás neutro relativamente frio. Os cientistas referem-se a isto como um ambiente de baixa reciclagem porque muitos dos iões de hidrogénio expelidos do plasma não são reciclados de volta para ele de uma forma que resfriasse a borda do plasma.

Em última análise, este ambiente de baixa reciclagem significou que a temperatura na borda do plasma estava mais próxima da temperatura no centro do plasma. Essa uniformidade de temperatura deve permitir que o plasma confine o calor melhor do que provavelmente aconteceria sem o lítio líquido, evitando uma variedade de instabilidades.

O lítio líquido também permitiu um aumento na densidade do plasma quando um feixe de partículas neutras de alta energia foi injetado para aquecer e alimentar o plasma. Com o lítio sólido, apenas um pequeno aumento de densidade foi demonstrado. Quando o feixe neutro foi usado, os íons de hidrogênio adicionados expulsaram os íons de hidrogênio já presentes no plasma em um processo conhecido como troca de carga.

Os pesquisadores acreditam que a principal diferença se deve a uma pequena quantidade de lítio que evaporou das paredes líquidas do reator e entrou no plasma. Esta impureza de lítio no plasma alterou a dinâmica da troca de carga e permitiu que o plasma retivesse íons de hidrogênio adicionados pelo feixe neutro sem expulsar outros íons de hidrogênio, resultando em um aumento geral na densidade do plasma.

"Implementar paredes de lítio líquido em um tokamak muito maior será difícil e caro. Para avançar com confiança com paredes de lítio líquido em uma fase futura do NSTX-U, experimentos exploratórios em menor escala são essenciais. LTX-β é apenas isso experimento", disse Majeski.

Mais informações: A. Maan et al, Melhor controle de densidade neutra e de plasma com o aumento dos revestimentos de parede de lítio no Experimento Tokamak de Lítio-β (LTX-β), Materiais e Energia Nuclear (2023). DOI:10.1016/j.nme.2023.101408
Fornecido pelo Laboratório de Física de Plasma de Princeton