Lithium je primární surovinou pro termojadernou fúzi

Lithium se v poslední době skloňuje ve všech pádech v souvislosti s nalezením jeho zásob v kopcích kolem krušnohorského Cínovce. Je nejen důležitou surovinou pro Li-Ion baterie, ale je také skutečně všestranným způsobem použitelné v zařízeních pro jadernou fúzi. Od počátku tohoto desetiletí se snaží výzkumníci na tokamaku NSTX v Princeton Plasma Physic Laboratory (dotovaném Ministerstvem pro energii USA) zjistit, zda by šlo některé parametry tokamakového plazmatu vylepšit dodáním lithia do vakuové komory, zejména do nesmírně namáhaného divertoru (místa, odkud se odvádějí zplodiny fúzní reakce). Na podobných otázkách se pracuje také na tokamaku LTX ve stejné laboratoři, na DIII-D v General Atomic a na EAST v čínském Hefai.

Lithium může ve fúzním reaktoru plnit hned několik funkcí:

• Pokrývat divertorové destičky, chránit je před tepelným namáháním.
• Vychytávat částice, které by jinak ochlazovaly plazma.
• Recyklovat tritium, klíčové palivo.
• Odstraňovat prach a nečistoty, odvádět je do filtru.
• Eliminovat nežádoucí prvky jako je kyslík, dusík, odvádět je do speciálních malých čisticích smyček.

První lithium v tokamacích

Dlouhou tradici v pokrývání stěn vakuové komory tokamaku lithiem mají v Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), kde již v roce 2010 zaváděli lithium do kulového tokamaku NSTX ve formě tzv. Liquid Lithium Divertoru (LLD).  Na spodku vakuové komory byl velký kovový kruh politý lithiem. Lithium se objevilo i v tokamaku DIII-D provozovaném General Atomic v roce 2014. Omezit účinky sekundárních elektronů ochlazujících plazma pomocí lithia zkoušely (opět v PPPL) Marlene Patino, absolventka Kalifornské univerzity v Los Angeles, a Angela Capece, profesorka na New Jersey College. Vedoucí fyzik PPPL Masa Ono říká: "Už jen tenoučká vrstvička kapalného lithia může divertorové destičky ochránit. Také slibně zlepšuje vlastnosti plazmatu, jak jsme pozorovali v experimentech. Ale protože se odpařuje, musíme ho stále doplňovat a udržovat destičky vlhké."

Speciální sonda a speciální tokamak

Na studium účinků lithia byl zaměřen speciální tokamak Lithium Tokamak Experiment (LTX). K analýze materiálů pokrytých lithiem se v roce 2017 používala diagnostika MAPP (Material Analyssis and Particle Probe), která dokáže, podobně jako hmotový spektrometr, zjistit druh materiálu a částic. Unikátní je, že to dokáže bez napouštění vakuové komory. Napustit komoru znamená dlouhou odstávku zařízení a za normálních okolností se provádí plánovitě jen při úpravách komory. Podobným zařízením disponuje i kazašský tokamak KTM (Kazachstan Tokamak for Material testing). LTX studoval rozdíl afinity lithia a oxidu lithného k deuteriu. Oxid lithný vzniká díky zbytkovému kyslíku ve vakuové komoře.

Američané v Číně

Rozsáhlý experiment proběhl při návštěvě amerických vědců na čínském celosupravodivém tokamaku EAST, kterého se pod vedením Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) zúčastnily Los Alamos a Oak Ridge National Laboratories, Johns Hopkins University, Illinois University v Urbana-Champaign, University of Tennessee-Knoxville, Massachusetts Institute of Technology a General Atomics. Zavádění lithia do tokamakového plazmatu probíhalo ve třech formách: prášek, granule a proudící kapalný lithiový limiter (flowing liquid lithium limiter, FLiLi). Zatímco první dvě verze likvidovaly nestability na okraji plazmatu (ELMs), proudící kapalný limiter snižoval množství deuteria, které by jinak mohlo ochlazovat centrální plazma. Lithium, které pokryje divertorové terče, je chrání jak před účinky tepla, tak jako houba zachycuje částice a brání jim v návratu do centrálního plazmatu, kde by částice nežádoucím způsobem snižovaly teplotu.

Univerzální lithium

V nečištěné vakuové komoře tokamaku se za rok nahromadí několik tun prachu. Z tritia vstřikovaného do komory shoří pouze 1 %. Zbytek je potřeba dostat z komory ven. Na divertorové terče dopadá nepřetržitě několik MW/m² tepla, v pulzním režimu až GW/m². Terče vystavené takovému namáhání je tedy potřeba ochránit před dopadajícími částicemi. PPPL pokračovalo na zařízeních NSTX a LTX v pokusech s tekutým lithiem, které by mohlo tyto problémy vyřešit. Do vakuové komory se napumpuje tekuté lithium a posléze se z komory vysaje. Kapalné lithium se spojí s tritiem a prachem a vynáší nečistoty do filtru vně tokamaku, odkud se mohou odstranit. (Filtr je relativně blízko u vakuové komory, musí se proto vyměňovat pomocí dálkového ovládání.) Dalším krokem je "studená past". Studená past funguje jako celkové čištění cirkulujícího lithia. Pracovní teplota je 200 ^oC. Lithium ještě v tekutém stavu protéká pastí, na jejích stěnách se ukládají nečistoty s vyšší teplotou tání než 200 ^oC, např. LiH (hydrid lithia, kde místo lehkého vodíku se naváže tritium, čili LiT) nebo LiOH (LiOT) ve formě krystalických povlaků. Po dosažení stanovené tloušťky usazenin se lithium odčerpá, usazeniny chemicky uvolní a získá se z nich tritium. Celý proces se cyklicky opakuje. Odstředivka zbaví tritium nečistot a lithia a čisté tritium putuje zpět do vakuové komory jako druhá složka palivové směsi.

Momentálně se otázka tekutých kovů, včetně použití lithia, široce probírá a v nejbližších letech bude předmětem intenzivního výzkumu s cílem prozkoumat jejich použití na reaktoru v DEMO a v budoucích elektrárnách. Je to ale stále jen jedna z možností, která přináší jak pozitiva, tak obtíže.