Koel wendet die Wissenschaft der Oberflächenchemie auf die Fusionsforschung am PPPL an

Bruce Koel, Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen in Princeton, arbeitet mit Wissenschaftlern am Princeton Plasma Physics Lab zusammen, um die Wissenschaft der Oberflächenchemie zur Lösung eines der größten Hindernisse für die Kernfusion anzuwenden: Wie lässt sich die Fusionsreaktion über lange Zeiträume am Laufen halten? Hinweis: Die Fotos in dieser Geschichte zeigen Forscher mit Geräten, die zum Zeitpunkt der Aufnahme nicht verwendet wurden.

Fotos von Elle Starkman

Im Labor am Ende des Flurs von Bruce Koels neuem Büro steigt die Temperatur in einer Kammer von der Größe eines Whirlpools, die die Energie eines brennenden Sterns enthält, auf über 11 Millionen Grad Celsius.

Die Kammer befindet sich im Princeton Plasma Physics Lab (PPPL) des US-Energieministeriums, wo Wissenschaftler nach Möglichkeiten suchen, die Fusion von Atomen, den gleichen Prozess, der die Sonne und andere Sterne antreibt, zu nutzen, um sichere, saubere und reichlich vorhandene Energie bereitzustellen Häuser und Unternehmen.

Koel, Professor für Chemie- und Biotechnik an der Princeton University, arbeitet gemeinsam mit PPPL-Wissenschaftlern an der Herausforderung, die Energie der Sonne auf der Erde einzufangen. Koel wurde letztes Jahr an die Princeton-Fakultät berufen und verfügt über Fachkenntnisse in der Oberflächenchemie. Seine Mission bei PPPL besteht darin, die Wissenschaft der Oberflächen anzuwenden, um eines der größten Hindernisse für die Kernfusion zu lösen: wie man die Fusionsreaktion über lange Zeiträume am Laufen hält.

Bei der Verschmelzung von Atomen werden enorme Energiemengen freigesetzt, der Prozess kann jedoch nur bei extrem hohen Temperaturen stattfinden. Damit die Fusion die Grundlage für das Kraftwerk der Zukunft sein kann, müssen Wissenschaftler Wege finden, um zu verhindern, dass der Prozess abkühlt.

Erstaunlicherweise könnte eine dünne Metallauskleidung, nur so breit wie ein menschliches Haar, an der Innenwand des Reaktors helfen, diese Abkühlung zu verhindern. Koel arbeitet mit PPPL-Wissenschaftlern zusammen, um Materialien für diese Auskleidung zu untersuchen. Die vielversprechendste Auskleidung ist Lithium, das leichteste Metall der Erde und das einzige Metall, das auf dem Wasser schwimmt.

Um die Wechselwirkungen von Lithium unter Bedingungen zu untersuchen, die denen in einem Fusionsreaktor ähneln, wird Lithium auf einer Probe von TZM-Molybdän erhitzt, einer Legierung aus Molybdän, Titan, Zirkonium und Kohlenstoff, die für ihre hohen Festigkeits- und Temperatureigenschaften bekannt ist in einer Ultrahochvakuumkammer, die mit einer Reihe von Elektronen- und Ionenspektrometern ausgestattet ist.

Die Aufrechterhaltung von Temperaturen im Millionen-Grad-Bereich ist unerlässlich, da Fusion stattfindet, wenn bestimmte Formen oder Isotope von Wasserstoffatomen so stark erhitzt werden, dass sich ihre positiv geladenen Kerne von ihren negativ geladenen Elektronen trennen und eine geladene Wolke, ein sogenanntes Plasma, entsteht. Diese Wasserstoffkerne rasen herum und prallen mit hoher Geschwindigkeit aufeinander, was zur Verschmelzung der Kerne und zur Freisetzung von Energie führt.

Dieses Plasma ist so heiß, dass nur ein magnetisches Kraftfeld, das in einer zylindrischen Kammer aus Edelstahl und Kupfer untergebracht ist, es eindämmen kann. Doch ständig entweichen verirrte Teilchen aus der geladenen Wolke, treffen auf die Kammerwand und prallen dann zurück in das Plasma. Der Kreislauf kalter Partikel zurück in das sengende Gas kühlt das Plasma ab und führt dazu, dass es turbulent und instabil wird.

Obwohl hitzebeständige Kohlenstofffliesen das Innere der Kammer auskleiden, verhindern sie nicht, dass Partikel in das Plasma ein- und ausströmen, das in der Mitte des Gefäßes durch das Magnetfeld eingeschlossen ist und die Kammerwände nicht direkt berührt. „Egal wie heiß man die Mitte macht, die Wände sind kalt“, sagte Richard Majeski, leitender Forschungsphysiker und Dozent der PPPL im Rang eines Professors für astrophysikalische Wissenschaften. „Es ist so etwas wie eine schlechte Isolierung in einem Haus.“

Eine Lithiumauskleidung im Inneren der Kammer kann jedoch wie ein Schwamm wirken und verirrte Partikel aufsaugen, die der Fusionsreaktion entkommen.

Koel (rechts) und Ryan Sullenberger (links), Absolvent der Maschinenbau- und Luft- und Raumfahrttechnik, nutzen Röntgenstrahlen, um Elektronen von der Oberfläche einer Probe zu sprengen und ihre Energien in diesem Gerät, einem Röntgen-Photoelektronenspektrometer, zu messen. Diese Informationen können Aufschluss darüber geben, was mit dem Lithium während der Fusion passiert, und den Forschern dabei helfen, Möglichkeiten zur Verbesserung der Lithiumauskleidungen in Fusionsreaktorexperimenten zu finden.

Lithium ist für seine Verwendung in Batterien und Psychopharmaka bekannt und verfügt über einzigartige Eigenschaften, die es ideal für die Aufgabe machen, das Abkühlen des Plasmas zu verhindern. Eine dieser Eigenschaften besteht darin, dass es sich eifrig mit anderen Atomen verbindet. Lithium fängt abtrünnige Partikel und verhindert so, dass sie in das Plasma zurückprallen.

Frühere Studien mit Lithium haben gezeigt, dass das Metall die Plasmalebensdauer erheblich verlängern kann. Um die Effizienz jedoch wirklich zu steigern, müssen Forscher mehr über sein Verhalten erfahren. „Wir haben das Grundwissen, aber was genau auf der Oberfläche passiert, ist nicht so klar“, sagte Charles Skinner, leitender Forschungsphysiker des PPPL. „Hier kommt Koel ins Spiel.“

Allerdings ist die Arbeit mit Lithium eine Herausforderung, da es die Tendenz hat, mit nahezu jedem Atom zu reagieren, das ihm in den Weg kommt. Lithium verbindet sich schnell mit Sauerstoff zu Lithiumoxid, Stickstoff zu Lithiumnitrid, Wasser zu Lithiumhydroxid und so weiter.

Zu dieser Komplexität kommt noch hinzu, dass zu den Partikeln, die die Lithiumoberfläche beschießen, nicht nur die aus dem Plasma ausgestoßenen Wasserstoffkerne gehören, sondern auch neutrale Partikel, sogenannte Neutronen, die während der Fusionsreaktion entstehen. Darüber hinaus kann die extreme Hitze Blasen an der Innenwand der Kammer verursachen, was zu einer welligen, rauen und mit Lithiumverbindungen übersäten Oberfläche führt.

Um Lithium und andere Innenwandoberflächen zu untersuchen, richtete Koel am PPPL ein neues Materialcharakterisierungslabor ein, das sich der Oberflächenanalyse widmet. Das Labor erstreckt sich nun über zwei Räume und umfasst insgesamt fünf Oberflächenanalysegeräte. Und diesen Sommer wird er seine Gruppe am PPPL um einen neuen Postdoktoranden und einen Bachelor-Forscher erweitern.

„Oberflächenchemiker haben in den letzten 20 Jahren viel über Lithium gelernt, aber die meisten Studien wurden mit reinem Lithium durchgeführt“, sagte Koel. „Wir betreten Neuland, indem wir untersuchen, wie Plasmapartikel nicht nur mit reinem Lithium, sondern mit allen anderen Verbindungen, die daraus entstehen, reagieren.“

Mit seiner Ausrüstung werden Koel und sein Team metallisches Lithium und Lithiumverbindungen untersuchen und sich anschließend bis zu Lithium-Flüssiglegierungen vorarbeiten. „Selbst unter den Vakuumbedingungen in einer Fusionsexperimentierkammer“, sagte Koel, „sind Wasser- und Luftmoleküle vorhanden und kollidieren, um Verbindungen zu bilden, die die Oberfläche der Wände vollständig bedecken. Jedes Gasmolekül, das mit der Wand kollidiert, bildet Lithium.“ Verbindung."

Die Forscher werden die Leistung von Lithium als Auskleidung unter Plasmabedingungen im Lithium Tokamak Experiment (LTX) untersuchen, einem relativ kleinen Reaktor inmitten von Büros im zweiten Stock eines der Laborgebäude von PPPL. Unter der Leitung von Majeski zusammen mit den Co-Ermittlern Robert Kaita und Leonid Zakharov, beide leitende Forschungsphysiker, und Thomas Kozub, einem Ingenieur und wissenschaftlichen Mitarbeiter, ist das LTX eine kleinere Version des wichtigsten experimentellen Geräts des Labors, des National Spherical Torus Experiment (NSTX). .

Koel plant, Proben zu untersuchen, die von den Innenwänden des LTX und NSTX entnommen wurden, um zu sehen, wie sich Lithium verhält, wenn es ein Hochtemperaturplasma umgibt. In einem typischen Experiment platzieren Forscher mehrere mit Lithium beschichtete Wafer an der Innenwand des Reaktorbehälters, starten den LTX, um Plasmen zu erzeugen, schalten ihn dann ab und sammeln die Wafer ein, um sie zur Analyse an Koel zu schicken. Forscher entwerfen einen speziellen Wagen – komplett mit einer eigenen Vakuumpumpe –, mit dem die Proben durch den Flur vom LTX-Reaktor zu Koels Labor befördert werden könnten. Die Herausforderung besteht darin, die Proben von der Luft isoliert und unter Vakuum zu halten – die geringste Spur von Luft oder Wasserdampf würde das Experiment ruinieren.

Mithilfe von Oberflächenanalysegeräten werden Koel und sein Team, bestehend aus Koel und dem Doktoranden für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, Ryan Sullenberger, und dem Chemiestudenten Steven Wulfsberg, untersuchen, was mit der obersten Atomschicht auf den Wafern passiert ist. Zur Ausrüstung gehört eine Maschine, die mithilfe von Röntgenstrahlen Elektronen von der Oberfläche einer Probe abschießt und sie in einer Falle fängt, die wie eine umgedrehte Suppenschüssel aussieht. Durch die Messung der Energien dieser Elektronen kann das als Röntgenphotoelektronenspektrometer bezeichnete Gerät aufdecken, was mit dem Lithium während der Plasmaexposition passiert ist, um festzustellen, ob es sich mit Wasserstoffkernen verbindet, Lithiumhydroxid bildet oder andere Produkte erzeugt.

„Koels Experimente sind eine entscheidende Ergänzung zu unserem Verständnis für die Gestaltung der Innenwand des Fusionsreaktors“, sagte Kaita. „In der Vergangenheit haben wir in unseren Fusionsexperimenten einfach verschiedene Materialien als Auskleidung ausprobiert, und einige funktionierten besser als andere. Wir wollen an den Punkt gelangen, an dem wir ein Verständnis für die komplexe Physik und Chemie an der Oberfläche der Innenwand haben.“ der Reaktor.“

Wenn die Experimente erfolgreich sind, könnte der Plasmafusionsreaktor der Zukunft eine dünne Wand aus flüssigem Lithium aufweisen. Da Lithium jedoch so leicht ist, bleibt das geschmolzene Metall an der Oberfläche haften, anstatt an den Wänden herunterzulaufen. Ein Konzept für einen zukünftigen Reaktor besteht darin, die flüssige Lithiumwand mithilfe von Düsen ständig aufzufüllen, um eine breite, gleichmäßige Flüssigkeitsschicht auszustoßen, ähnlich einer dekorativen „Wasserwand“-Brunnen.

Mithilfe von Lithium hoffen die Physiker am PPPL, die Effizienz von Fusionsreaktoren zu steigern und größere Energiemengen aus kleineren Plasmen freizusetzen. Bei aktuellen Designs müssen Plasmakammern massiv sein, wenn die Fusionsreaktion mehr Energie freisetzen soll, als sie zum Erhitzen und Einschließen des Plasmas verbraucht. Ein Prototyp einer Fusionskammer namens ITER, der in Frankreich gebaut wird, um zu demonstrieren, dass Fusion eine brauchbare Energiequelle für die Zukunft ist, wird drei Stockwerke hoch sein.

Wissenschaftler hoffen, dass Lithium oder eine ähnliche Beschichtung die Wärmedämmung so weit verbessern könnte, dass ein relativ kleines Plasmagefäß, dessen Design dem im zweiten Stock des PPPL ähnelt, effizienter Energie erzeugen könnte. „Die Hoffnung ist, dass es mit Lithium oder einer anderen Innenwandbeschichtung möglich sein wird“, sagte Majeski, „einen Fusionsreaktor mit längeren Laufzeiten und geringeren Kosten zu bauen, der den Übergang zur kommerziellen Energienutzung erleichtert.“

Koels Arbeit bei PPPL wird durch ein PPPL-Laboratoriums-Forschungs- und Entwicklungsstipendium finanziert.

Die Princeton University verwaltet PPPL seit seinen Anfängen im Jahr 1951, als Professor Lyman Spitzer, ein Begründer des Gebiets der Plasmaphysik, das Studium der Kernfusion an der Universität initiierte. Die Einrichtung, die 1961 offiziell den Namen Princeton Plasma Physics Laboratory erhielt, ist eines von zehn nationalen Wissenschaftslabors, die vom Office of Science des DOE finanziert werden.