پیشرفت جدید دانشمندان آمریکایی در خنک‌سازی رآکتور همجوشی با استفاده از لیتیوم مایع
محققان آزمایشگاه فیزیک پلاسما پرینستون از لیتیوم مایع برای خنک‌سازی رآکتورهای همجوشی استفاده می‌کنند. علاوه بر کمک به حفظ دمای رآکتور همجوشی، فلز مایع همچنین از اجزای رآکتور در برابر بمباران نوترونی محافظت می‌کند، به گفته یک بیانیه خبری ارسال شده به مهندسی جالب .
رآکتورهای همجوشی شرایط سطح خورشید را بازسازی می‌کنند تا اتم‌های هیدروژن را همجوشی کنند و مقادیر زیادی انرژی آزاد کنند. این روش بر هسته‌ای شدن ترجیح داده می‌شود زیرا هیچ ضایعات رادیواکتیوی ایجاد نمی‌کند. با این حال، محققان تنها موفقیت محدودی در خروجی انرژی خالص از این واکنش‌ها داشته‌اند.
یکی دیگر از موانع در همجوشی هسته‌ای کنترل دمای خود رآکتور است. برای وقوع واکنش‌های همجوشی، دمای رآکتور باید به 100 میلیون درجه سلسیوس برسد. اما گرمای اضافی نیز مضر است زیرا می‌تواند به داخل ظرف رآکتور آسیب برساند.
“در حال حاضر هیچ ماده جامدی موجود نیست که بتواند این بارها را تحمل کند،” ایگمن کلمان، دانشیار مهندسی مکانیک و هوافضا در مرکز آندلینگر برای انرژی و محیط زیست پرینستون. “فلزات مایع جاری پتانسیل دارند تا این چالش‌های مواد را حل کنند.”
نقش دوگانه لیتیوم مایع
محققان از شیارهایی برای تسهیل جریان فلز مایع در لبه داخلی رآکتور همجوشی استفاده کردند. ایده استفاده از فلز مایع کاملاً جدید نیست و قبلاً در سیستم‌هایی به نام «مبدل‌ها» امتحان شده است. با این حال، فلز مایع برای دوره‌های طولانی جریان می‌یافت که خطر بیش‌گرم شدن ظرف رآکتور و تبخیر فلز را به همراه داشت.
برای اجتناب از این مورد، محققان PPPL از جریان الکتریکی برای هدایت جریان مایع استفاده کردند و اطمینان حاصل کردند که تنها برای مدت کوتاهی در معرض پلاسمای داغ قرار می‌گیرد. سپس فلز به سمت پایین دستگاه به نام «مبدل» جریان می‌یابد، جایی که فلز خنک شده و سپس به بالای شیار بازگردانده می‌شود تا دوباره پایین بیاید. این کار از بیش‌گرم شدن فلز جلوگیری می‌کند زیرا به طور مختصر در معرض پلاسما قرار می‌گیرد و سپس دوباره به سرعت خنک می‌شود.
نقش لیتیوم، اما، تنها به خنک‌سازی سیستم محدود نمی‌شود. این فلز همچنین کار اضافی حفظ گرمای پلاسمارا با بازیافت ذرات هیدروژن انجام می‌دهد. ایزوتوپ‌های هیدروژن که از پلاسما جدا می‌شوند، معمولاً با دمای بسیار پایین‌تری بازمی‌گردند که پلاسما را خنک می‌کند.
“اگر سیستم مواجه با پلاسمای شما از لیتیوم ساخته شده باشد، این ذرات را که به دیوارها برخورد می‌کنند جذب و نگاه می‌دارد، بنابراین پلاسما دیگر با سرعت بالا خنک نمی‌شود،” افزود فرانسیسکو سائنز، دانشجوی کارشناسی ارشد در دپارتمان مهندسی مکانیک و هوافضا پرینستون که در این کار دخیل بود.
فراتر از لیتیوم
تیم تحقیقاتی چندین شبیه‌سازی از این روش انجام داد و از گالیستان، ترکیبی از گالیم، ایندیوم و قلع، در تجربیات خود استفاده کرد زیرا این مخلوط هدایت الکتریکی لیتیوم مایع را دارا می‌باشد.
تیم همچنین با افزایش جریان الکتریکی آزمایشاتی انجام داد تا به یکنواختی جریان فلز مایع بدون پاشش در داخل ظرف رآکتور برسد. این بیانیه خبری اضافه کرد که تیم با استفاده از 900 آمپر جریان به نرخ جریان یک متر بر ثانیه دست یافت.
محققان PPPL همچنین طرح تجربه لیتیوم را برای کار با مقادیر بیشتری از لیتیوم مایع و فلزات دیگر، مانند مس و تنگستن ، آغاز کرده‌اند. طراحی فعلی «مبدل» بسته است و اجازه نمی‌دهد لیتیوم مایع از ظرف رآکتور خارج شود.
در آینده، محققان همچنین به کار بر روی سیستمی که در آن لیتیوم مصرف‌شده می‌تواند از رآکتور خارج شده و لیتیوم مایع جدیدی به آن افزوده شود، علاقه‌مندند.
