Les composés de lithium améliorent les performances du plasma dans les dispositifs de fusion aussi bien que le lithium pur, a découvert une équipe de physiciens du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE).

La recherche a été menée par l'ancien étudiant diplômé en physique de l'Université de Princeton, Matt Lucia, sous la direction de Robert Kaita, physicien de recherche principal au PPPL et l'un des directeurs de thèse de Lucia, ainsi que l'équipe de scientifiques travaillant sur une machine connue sous le nom de Lithium Tokamak Experiment (LTX). Dans le cadre de sa thèse, Lucia a étudié comment le lithium déposé sur les parois des machines de fusion en forme de beignet connues sous le nom de tokamaks affectait les performances du LTX. Comme le plasma dans un tokamak, le plasma dans LTX a la forme d'un beignet. Le plasma, une soupe de particules chargées, est entouré d'une coque en cuivre avec une paroi intérieure en acier inoxydable.

Lucia a utilisé un nouvel appareil connu sous le nom de Materials Analysis and Particle Probe (MAPP), inventé à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et installé sur LTX. Le système MAPP permet aux scientifiques de prélever des échantillons dans une chambre connectée au LTX et de les étudier sans compromettre l'environnement sous vide du LTX. MAPP permet aux scientifiques d'analyser comment les plasmas de tokamak affectent un matériau immédiatement après la fin de l'expérience. Autrefois, les scientifiques ne pouvaient étudier les échantillons qu'après l'arrêt de la machine pour maintenance; à ce moment, le vide avait été rompu et les échantillons avaient été exposés à de nombreuses expériences, ainsi qu'à l'air.

Lucia a utilisé la technique de l'évaporation pour enduire un morceau de métal de lithium, puis utilisé MAPP pour exposer le métal au plasma dans LTX. Comme il s'y attendait, Lucia a observé de l'oxyde de lithium, qui se forme lorsque le lithium réagit avec l'oxygène résiduel dans la chambre à vide du LTX. Il était surpris, cependant, pour constater que le composé était tout aussi capable d'absorber le deutérium que le lithium pur.

"Matt a découvert que même après avoir laissé le revêtement de lithium reposer sur les composants faisant face au plasma dans le LTX et s'oxyder, il était toujours capable de lier l'hydrogène, " dit Kaita.

"Pour un moment, nous pensions que vous deviez avoir du lithium de haute pureté parce que nous pensions que si le lithium avait déjà un partenaire de danse - l'oxygène - il ne danserait pas avec l'hydrogène, " a déclaré Mike Jaworski, chercheur en physique au PPPL et co-auteur de l'article. "On pensait qu'une fois oxydé, le lithium serait chimiquement inerte. Mais en fait, nous avons découvert que le lithium prendrait tous les partenaires de danse qu'il peut obtenir."

Les résultats de Lucia sont la première preuve directe que l'oxyde de lithium se forme sur les parois du tokamak et qu'il retient les isotopes de l'hydrogène aussi bien que le lithium pur. Ils appuient l'observation que l'oxyde de lithium peut se former à la fois sur le graphite, comme les tuiles dans NSTX, et sur le métal, et améliorer les performances du plasma.

Les résultats corroborent les découvertes antérieures impliquant l'expérience nationale du tore sphérique (NSTX) de PPPL, un tokamak. En 2010, les scientifiques ont placé un grand anneau métallique recouvert de lithium sur le sol de l'enceinte à vide de NSTX. Cet appareil, connu sous le nom de dérivateur au lithium liquide (LLD), était la première tentative de créer une grande surface métallique revêtue de lithium à l'intérieur de NSTX. Plus tard, après que le divertor NSTX ait été exposé à l'oxygène résiduel dans l'enceinte à vide, les scientifiques ont étudié la surface du divertor. Les chercheurs ont chauffé le divertor et détecté du deutérium. La découverte a laissé entendre que le deutérium avait été piégé par l'oxyde de lithium dans le LLD, mais la preuve n'était pas définitive.

Ces nouvelles découvertes indiquent que le lithium dans les tokamaks n'a peut-être pas besoin d'être aussi pur qu'on le pensait. Ils montrent également que si les tuiles de carbone dans NSTX, maintenant le National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), sont remplacés par des tuiles métalliques et enduits de lithium, les performances du plasma ne devraient pas baisser. "L'essentiel est que nous puissions continuer à utiliser l'évaporation du lithium si nous passons aux murs métalliques dans NSTX-U, " dit Kaita.

L'équipe doit faire plus de recherches pour déterminer si ces résultats s'appliqueront aux futures machines à plasma, qui pourrait avoir des parois métalliques liquides qui pourraient contenir à la fois du lithium et de l'oxyde de lithium. « Si nous voulons extrapoler nos résultats à un réacteur à fusion, nous devons nous demander si les expériences sont indicatives des performances que nous pourrions attendre à l'avenir, " a déclaré Jaworski. La prochaine étape de cette recherche consisterait à mesurer avec précision le taux de rétention d'hydrogène du lithium pur et oxydé, et en les comparant rigoureusement.

Les résultats ont été publiés dans le numéro d'avril 2017 de Ingénierie et conception de fusion . La recherche a été financée par le DOE Office of Science (Fusion Energy Sciences).