Коэл применяет науку о химии поверхности к исследованиям в области термоядерного синтеза в PPPL

Профессор химической и биологической инженерии Принстона Брюс Коэл работает с учеными из Принстонской лаборатории физики плазмы, чтобы применить науку о химии поверхности для решения одного из самых больших препятствий, стоящих перед термоядерным синтезом: как поддерживать горение реакции термоядерного синтеза в течение длительного времени. Примечание. На фотографиях в этой статье показаны исследователи с оборудованием, которое на момент съемки не использовалось.

Фотографии Элль Старкман

В лаборатории, расположенной в коридоре от нового офиса Брюса Коэла, температура вот-вот превысит 11 миллионов градусов по Цельсию в камере размером с гидромассажную ванну, в которой хранится энергия горящей звезды.

Камера расположена в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США, где ученые изучают способы использования синтеза атомов — того же процесса, который питает Солнце и другие звезды, — чтобы обеспечить безопасную, чистую и обильную энергию для человечества. дома и предприятия.

Коэл, профессор химической и биологической инженерии Принстонского университета, присоединяется к ученым PPPL, чтобы решить задачу улавливания энергии Солнца на Земле. Коэл, назначенный на факультет в Принстоне в прошлом году, специализируется в области химии поверхности. Его миссия в PPPL — применить науку о поверхностях для решения одной из самых больших проблем, стоящих перед термоядерным синтезом: как поддерживать горение реакции термоядерного синтеза в течение длительного времени.

При слиянии атомов выделяется огромное количество энергии, но этот процесс может происходить только при чрезвычайно высоких температурах. Чтобы термоядерный синтез стал основой электростанции будущего, ученым необходимо найти способы предотвратить охлаждение процесса.

Удивительно, но тонкая металлическая подкладка толщиной всего с человеческий волос на внутренней стенке реактора может помочь предотвратить это охлаждение. Коэл сотрудничает с учеными PPPL для изучения материалов для этой облицовки. Наиболее перспективной облицовкой является литий, самый легкий металл на Земле и единственный металл, который плавает в воде.

Для изучения взаимодействия лития в условиях, аналогичных тем, которые могут возникнуть в термоядерном реакторе, литий нагревают на образце молибдена TZM, который представляет собой сплав молибдена, титана, циркония и углерода, известный своими высокими прочностными и температурными свойствами. внутри камеры сверхвысокого вакуума, оснащенной набором электронных и ионных спектрометров.

Поддержание температуры в миллионы градусов имеет важное значение, поскольку термоядерный синтез происходит, когда определенные формы или изотопы атомов водорода нагреваются настолько, что их положительно заряженные ядра отделяются от отрицательно заряженных электронов, образуя заряженное облако, называемое плазмой. Эти ядра водорода вращаются и сталкиваются друг с другом на высоких скоростях, что приводит к слиянию ядер и высвобождению энергии.

Эта плазма настолько горячая, что ее может удержать только магнитное силовое поле, помещенное внутри цилиндрической камеры из нержавеющей стали и меди. Но случайные частицы постоянно вырываются из заряженного облака и ударяются о стенку камеры, а затем отскакивают обратно в плазму. Возврат холодных частиц обратно в раскаленный газ охлаждает плазму и делает ее турбулентной и нестабильной.

Хотя термостойкие углеродные плитки выстилают внутреннюю часть камеры, они не препятствуют круговороту частиц в плазме, которая удерживается в середине сосуда магнитным полем и не контактирует напрямую со стенками камеры. «Независимо от того, насколько горячей вы сделаете середину, стены останутся холодными», — сказал Ричард Маески, главный физик-исследователь PPPL и преподаватель в звании профессора астрофизических наук. «Это похоже на плохую изоляцию в доме».

Однако литиевая облицовка внутри камеры может действовать как губка, впитывая случайные частицы, ускользающие от реакции термоядерного синтеза.

Коэл (справа) и аспирант механической и аэрокосмической техники Райан Салленбергер (слева) используют рентгеновские лучи для выбрасывания электронов с поверхности образца и измеряют их энергию в этом устройстве — рентгеновском фотоэлектронном спектрометре. Эта информация может раскрыть, что происходит с литием во время термоядерного синтеза, и помочь исследователям найти способы улучшить литиевые лайнеры в экспериментах с термоядерными реакторами.