Koel aplica la ciencia de la química de superficies a la investigación de la fusión en PPPL

Bruce Koel, profesor de Ingeniería Química y Biológica de Princeton, está trabajando con científicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton para aplicar la ciencia de la química de superficies para resolver uno de los mayores obstáculos que enfrenta la fusión: cómo mantener encendida la reacción de fusión durante largos períodos. Nota: Las fotografías de esta historia muestran a investigadores con equipos que no están en uso en el momento de la fotografía.

Fotos de Elle Starkman

En el laboratorio al final del pasillo de la nueva oficina de Bruce Koel, la temperatura está a punto de subir más de 11 millones de grados centígrados en una cámara del tamaño de un jacuzzi que alberga la energía de una estrella en llamas.

La cámara está ubicada en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU., donde los científicos están explorando formas de aprovechar la fusión de átomos, el mismo proceso que alimenta el sol y otras estrellas, para proporcionar energía segura, limpia y abundante para hogares y negocios.

Koel, profesor de ingeniería química y biológica en la Universidad de Princeton, se une a los científicos de PPPL para abordar el desafío de capturar la energía del sol en la Tierra. Nombrado miembro de la facultad de Princeton el año pasado, Koel tiene experiencia en química de superficies. Su misión en PPPL es aplicar la ciencia de las superficies para resolver uno de los mayores obstáculos que enfrenta la fusión: cómo mantener encendida la reacción de fusión durante largos períodos.

La fusión de átomos libera enormes cantidades de energía, pero el proceso sólo puede tener lugar a temperaturas extremadamente altas. Para que la fusión sea la base de la central eléctrica del futuro, los científicos necesitan encontrar formas de evitar que el proceso se enfríe.

Sorprendentemente, un fino revestimiento metálico, del ancho de un cabello humano, en la pared interior del reactor podría ayudar a prevenir este enfriamiento. Koel está colaborando con científicos de PPPL para estudiar materiales para este revestimiento. El revestimiento más prometedor es el litio, el metal más ligero de la Tierra y el único que flota en el agua.

Para estudiar las interacciones del litio en condiciones similares a las que se podrían encontrar en un reactor de fusión, se calienta litio sobre una muestra de molibdeno TZM, que es una aleación de molibdeno, titanio, circonio y carbono conocida por sus propiedades de alta resistencia y temperatura. dentro de una cámara de vacío ultra alto que está equipada con una serie de espectrómetros de electrones e iones.

Mantener temperaturas en millones de grados es esencial porque la fusión ocurre cuando ciertas formas, o isótopos, de átomos de hidrógeno se calientan tanto que sus núcleos cargados positivamente se separan de sus electrones cargados negativamente para formar una nube cargada llamada plasma. Estos núcleos de hidrógeno giran y chocan entre sí a altas velocidades, lo que resulta en la fusión de los núcleos y la liberación de energía.

Este plasma está tan caliente que sólo un campo de fuerza magnético, alojado dentro de una cámara cilíndrica de acero inoxidable y cobre, puede contenerlo. Pero las partículas perdidas escapan constantemente de la nube cargada y golpean la pared de la cámara, luego rebotan en el plasma. El ciclo de las partículas frías que regresan al gas abrasador enfría el plasma y hace que se vuelva turbulento e inestable.

Aunque las baldosas de carbono resistentes al calor recubren el interior de la cámara, no impiden que las partículas entren y salgan del plasma, que está confinado en el medio del recipiente por el campo magnético y no entra en contacto directo con las paredes de la cámara. "No importa lo caliente que hagas el medio, las paredes están frías", dijo Richard Majeski, físico investigador principal del PPPL y profesor con rango de profesor de ciencias astrofísicas. "Es algo así como un mal aislamiento en una casa".

Sin embargo, un revestimiento de litio en el interior de la cámara puede actuar como una esponja, absorbiendo partículas perdidas que huyen de la reacción de fusión.

Koel (derecha) y el estudiante graduado en ingeniería mecánica y aeroespacial Ryan Sullenberger (izquierda) utilizan rayos X para expulsar electrones de la superficie de una muestra y medir sus energías en este dispositivo, un espectrómetro de fotoelectrones de rayos X. Esta información puede revelar qué sucede con el litio durante la fusión y ayudar a los investigadores a encontrar formas de mejorar los revestimientos de litio en los experimentos de los reactores de fusión.

Conocido por su uso en baterías y fármacos psiquiátricos, el litio tiene propiedades únicas que lo hacen ideal para la tarea de evitar que el plasma se enfríe. Una de estas propiedades es que se une ávidamente con otros átomos. El litio atrapa las partículas renegadas, impidiéndoles rebotar en el plasma.

Estudios anteriores con litio han demostrado que el metal puede prolongar significativamente la vida útil del plasma, pero para aumentar realmente la eficiencia, los investigadores necesitan aprender más sobre cómo se comporta. "Tenemos el conocimiento básico, pero lo que sucede exactamente en la superficie no está tan claro", dijo el físico investigador principal del PPPL, Charles Skinner. "Aquí es donde entra en juego Koel".

Sin embargo, es un desafío trabajar con litio debido a su tendencia a reaccionar con casi cualquier átomo que se presente. El litio se combina rápidamente con el oxígeno para producir óxido de litio, el nitrógeno para producir nitruro de litio, el agua para producir hidróxido de litio, etc.

Sumándose a esta complejidad, las partículas que bombardean la superficie del litio incluyen no sólo los núcleos de hidrógeno expulsados ​​del plasma, sino también partículas neutras, llamadas neutrones, formadas durante la reacción de fusión. Además, el calor extremo puede ampollar la pared interior de la cámara, lo que da como resultado una superficie combada, áspera y llena de compuestos de litio.

Para explorar el litio y otras superficies de las paredes interiores, Koel estableció un nuevo laboratorio de caracterización de materiales en PPPL dedicado al análisis de superficies. El laboratorio ahora ocupa dos salas e incluye un total de cinco instrumentos de análisis de superficies. Y este verano ampliará su grupo en PPPL para incluir un nuevo investigador postdoctoral y un investigador universitario.

"Los químicos de superficies han aprendido mucho sobre el litio en los últimos 20 años, pero la mayoría de los estudios se realizaron con litio puro", dijo Koel. "Nos estamos moviendo hacia un nuevo territorio al estudiar cómo las partículas de plasma reaccionan no sólo con el litio puro sino con todos los demás compuestos que produce".

Con su equipo, Koel y su equipo examinarán el litio metálico y los compuestos de litio y luego avanzarán hasta llegar a las aleaciones líquidas de litio. "Incluso en las condiciones de vacío dentro de una cámara experimental de fusión", dijo Koel, "las moléculas de agua y aire están presentes y chocan para formar compuestos que cubren completamente la superficie de las paredes. Cada molécula de gas que choca con la pared producirá litio". compuesto."

Los investigadores explorarán el rendimiento del litio como revestimiento en condiciones de plasma en el Experimento Tokamak de Litio (LTX), un reactor relativamente pequeño ubicado entre oficinas en el segundo piso de uno de los edificios del laboratorio de PPPL. Dirigido por Majeski con los co-investigadores Robert Kaita y Leonid Zakharov, ambos físicos investigadores principales, y Thomas Kozub, un miembro del personal científico y de ingeniería, el LTX es una versión más pequeña del principal dispositivo experimental del laboratorio, el Experimento Nacional del Toro Esférico, o NSTX. .

Koel planea estudiar muestras recolectadas de las paredes internas de LTX y NSTX para ver cómo se comporta el litio cuando rodea un plasma de alta temperatura. En un experimento típico, los investigadores colocarán varias obleas recubiertas de litio en la pared interior de la vasija del reactor, encenderán el LTX para producir plasmas, luego lo apagarán y recogerán las obleas que se enviarán a Koel para su análisis. Los investigadores están diseñando un carro especial, completo con su propia bomba de vacío, que podría usarse para llevar las muestras por el pasillo desde el reactor LTX hasta el laboratorio de Koel. El desafío es mantener las muestras aisladas del aire y al vacío: el más mínimo rastro de aire o vapor de agua arruinará el experimento.

Utilizando equipos de análisis de superficies, Koel y su equipo, formado por Koel y el estudiante graduado en ingeniería mecánica y aeroespacial Ryan Sullenberger y el estudiante graduado en química Steven Wulfsberg, estudiarán qué sucedió con la capa superior de átomos en las obleas. El equipo incluye una máquina que utiliza rayos X para expulsar electrones de la superficie de una muestra y los atrapa en una trampa que parece un plato de sopa al revés. Al medir las energías de estos electrones, el dispositivo, llamado espectrómetro fotoelectrónico de rayos X, puede revelar qué sucedió con el litio durante la exposición al plasma para ver si se combinó con núcleos de hidrógeno, formó hidróxido de litio o produjo otros productos.

"Los experimentos de Koel son una adición crucial a nuestra comprensión de cómo diseñar la pared interior del reactor de fusión", dijo Kaita. "En el pasado, simplemente probamos diferentes materiales como revestimientos en nuestros experimentos de fusión, y algunos funcionaron mejor que otros. Queremos llegar al punto en el que comprendamos la compleja física y química en la superficie de la pared interior de el reactor."

Si los experimentos tienen éxito, el reactor de fusión de plasma del futuro podría lucir una fina pared de litio líquido. Pero como el litio es tan liviano, el metal fundido se pegaría a la superficie en lugar de correr por las paredes. Un concepto para un futuro reactor implica reponer constantemente la pared de litio líquido utilizando boquillas para emitir una lámina amplia y uniforme de líquido, similar a una fuente decorativa de "pared de agua".

Utilizando litio, los físicos de PPPL esperan aumentar la eficiencia de los reactores de fusión, liberando mayores cantidades de energía a partir de plasmas de menor tamaño. Con los diseños actuales, las cámaras de plasma deben ser enormes para que la reacción de fusión libere más energía de la que consume para calentar y confinar el plasma. Un prototipo de cámara de fusión conocida como ITER, que se está construyendo en Francia para demostrar que la fusión es una fuente de energía viable para el futuro, tendrá tres pisos de altura.

Los científicos esperan que el litio, u otro recubrimiento similar, pueda mejorar la contención del calor lo suficiente como para que un recipiente de plasma relativamente pequeño, similar en diseño al del segundo piso de PPPL, pueda generar energía de manera más eficiente. "La esperanza es que con litio u otro revestimiento de pared interior", dijo Majeski, "será posible fabricar un reactor de fusión con tiempos de funcionamiento más largos y menor costo de una manera que facilite la transición al uso comercial de energía".

El trabajo de Koel en PPPL está financiado por una subvención de investigación y desarrollo dirigida por laboratorios de PPPL.

La Universidad de Princeton ha gestionado PPPL desde sus orígenes en 1951, cuando el profesor Lyman Spitzer, fundador del campo de la física del plasma, inició el estudio de la fusión en la Universidad. La instalación, que recibió el nombre oficial de Laboratorio de Física del Plasma de Princeton en 1961, es uno de los 10 laboratorios científicos nacionales financiados por la Oficina de Ciencias del DOE.