Литий считается ключевым компонентом будущих коммерческих термоядерных электростанций, известных как токамаки. Существует несколько способов использования этого металла для улучшения процесса. Однако оставался ключевой вопрос: как это влияет на количество топлива, удерживаемого стенками токамаков?
Новое исследование
Согласно новому исследованию, проведённому в рамках глобального сотрудничества девяти институтов, доминирующим фактором удержания топлива является совместное осаждение: процесс, при котором топливо удерживается вместе с литием. Совместное осаждение может происходить с литием, который непосредственно добавляется во время плазменных операций, или с литием, который был предварительно нанесён на стенки, а затем стёрся и был повторно нанесён.
Исследование также показало, что добавление лития во время работы более эффективно, чем предварительное покрытие стенок литием, с точки зрения создания равномерной температуры от ядра плазмы до её края. Это может помочь создать стабильные условия плазмы, необходимые для коммерческого термоядерного синтеза.
Результаты исследования
Исследование, опубликованное в Nuclear Materials and Energy, впервые напрямую сравнивает количество топлива, удерживаемого литиевыми покрытиями, нанесёнными внутри токамака до начала термоядерной операции, с порошкообразным литием, впрыскиваемым в плазму во время термоядерной реакции.
Исследование показало, что толщина литиевого покрытия, нанесённого перед плазменным выстрелом, существенно не влияет на количество удерживаемого топлива. «Оказывается, особого смысла делать такие покрытия очень толстыми нет», — сказала Мария Морбей, ведущий автор исследования и кандидат наук в голландском Институте фундаментальных энергетических исследований (DIFFER) и Технологическом университете Эйндховена. «Большая часть удержания топлива происходит, когда литий добавляется во время плазменного выстрела, а не заранее».
Применение лития в токамаках
Литий является ведущим кандидатом для выполнения этой работы, отметил Эффенберг, отметив, что порошковая инъекция предлагает практический мост к полностью жидким литиевым стенкам. Разрабатывается план по возможному включению литиевого инжектора и, в конечном итоге, компонентов с жидким литием, контактирующих с плазмой, в Национальный сферический тороидальный эксперимент-обновление (NSTX-U) Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL).
Лаборатория также работает над токамаком, основанным на конструкции NSTX-U, под названием Spherical Tokamak Advanced Reactor (STAR).
Использование магния оксида в квантовых технологиях
Магний оксид, используемый в промышленности и здравоохранении, также может быть хорошим кандидатом для квантовых технологий. Исследование, проведённое под руководством Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и опубликованное в npj Computational Materials, выявляет дефект в минерале, который может быть полезен для квантовых приложений.
Исследователи изучают возможные строительные блоки, известные как кубиты, для систем, которые могут использовать квантовые свойства. Эти системы могут работать в различных устройствах, которые могут превосходить классические суперкомпьютеры, формировать не взламываемые сети или обнаруживать самые слабые сигналы.
Потенциал магния оксида
В 2022 году исследование предсказало, что магний оксид может обладать длительным временем когерентности для спиновых дефектов. Исследователи из этого исследования включали Джулию Галли, старшего учёного Аргоннской лаборатории и профессора семьи Лью в области электронной структуры и моделирования в Школе молекулярной инженерии Прицкера и на факультете химии Чикагского университета.
В новом исследовании учёный из Аргоннской лаборатории и научный сотрудник Марии Гопперт Майер Вриндаа Сомджит и Галли с коллегами из Чикагского университета и Линчёпингского университета в Швеции решили изучить потенциал, отмеченный в более ранних исследованиях.
Используя высокопроизводительный скрининг, который быстро оценивает кандидатов с помощью автоматизированных фильтров на высокопроизводительном компьютере, команда просеяла почти 3 000 дефектов в оксиде магния. Среди характеристик, которые они искали, две из них представляют особый интерес для кубитов — взаимодействие дефекта со светом и спиновые свойства дефекта.
Победителем стал азот-вакансия, похожая на ту, что изучена в алмазе. Азот-вакансия в оксиде магния состоит из атома азота (легирующего элемента) рядом с отсутствующим атомом магния (вакансия).
Теперь, когда расчёты в статье подтвердили идею о том, что азот-вакансия в оксиде магния может быть использован в качестве кубита для хранения информации, следующим шагом является сотрудничество с экспериментаторами для синтеза такого кубита в лаборатории, сказала Сомджит.
Исследование также показало потенциал использования того же вычислительного протокола для изучения других перспективных дефектов в оксиде магния и других материалах.