Koel applique la science de la chimie des surfaces à la recherche sur la fusion au PPPL

Bruce Koel, professeur de génie chimique et biologique à Princeton, travaille avec des scientifiques du laboratoire de physique des plasmas de Princeton pour appliquer la science de la chimie des surfaces à la résolution de l'un des plus grands obstacles auxquels est confrontée la fusion : comment maintenir la réaction de fusion en marche pendant de longues périodes. Remarque : Les photos de cette histoire montrent des chercheurs avec du matériel qui n'est pas utilisé au moment de la prise de vue.

Photos by Elle Starkman

Dans le laboratoire situé à côté du nouveau bureau de Bruce Koel, la température est sur le point de dépasser les 11 millions de degrés Celsius dans une chambre de la taille d'un bain à remous qui abrite l'énergie d'une étoile brûlante.

La chambre est située au laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du ministère américain de l'Énergie, où les scientifiques étudient les moyens d'exploiter la fusion des atomes, le même processus qui alimente le soleil et d'autres étoiles, pour fournir une énergie sûre, propre et abondante. les maisons et les entreprises.

Koel, professeur de génie chimique et biologique à l'Université de Princeton, s'associe aux scientifiques du PPPL pour relever le défi consistant à capter l'énergie du soleil sur Terre. Nommé à la faculté de Princeton l'année dernière, Koel est spécialisé dans la chimie des surfaces. Sa mission au PPPL est d'appliquer la science des surfaces pour résoudre l'un des plus grands obstacles auxquels est confrontée la fusion : comment maintenir la réaction de fusion en marche pendant de longues périodes.

La fusion des atomes libère de grandes quantités d’énergie, mais le processus ne peut avoir lieu qu’à des températures extrêmement élevées. Pour que la fusion soit à la base de la centrale électrique du futur, les scientifiques doivent trouver des moyens d’empêcher le refroidissement du processus.

Étonnamment, une fine doublure métallique, de la largeur d’un cheveu humain, sur la paroi interne du réacteur pourrait aider à empêcher ce refroidissement. Koel collabore avec les scientifiques du PPPL pour étudier les matériaux de ce revêtement. Le revêtement le plus prometteur est le lithium, le métal le plus léger sur Terre et le seul qui flotte sur l’eau.

Pour étudier les interactions du lithium dans des conditions similaires à celles qui pourraient être trouvées dans un réacteur à fusion, le lithium sur un échantillon de molybdène TZM, un alliage de molybdène, de titane, de zirconium et de carbone connu pour ses propriétés de résistance et de température élevées, est chauffé. à l’intérieur d’une chambre à ultravide équipée d’un réseau de spectromètres d’électrons et d’ions.

Il est essentiel de maintenir des températures de plusieurs millions de degrés, car la fusion se produit lorsque certaines formes, ou isotopes, d'atomes d'hydrogène deviennent tellement chauffés que leurs noyaux chargés positivement se séparent de leurs électrons chargés négativement pour former un nuage chargé appelé plasma. Ces noyaux d’hydrogène se déplacent et s’écrasent les uns sur les autres à grande vitesse, entraînant la fusion des noyaux et la libération d’énergie.

Ce plasma est si chaud que seul un champ de force magnétique, logé à l’intérieur d’une chambre cylindrique en acier inoxydable et en cuivre, peut le contenir. Mais les particules parasites s’échappent constamment du nuage chargé et heurtent la paroi de la chambre, puis rebondissent dans le plasma. Le retour des particules froides dans le gaz brûlant refroidit le plasma et le rend turbulent et instable.

Bien que des tuiles de carbone résistantes à la chaleur recouvrent l’intérieur de la chambre, elles n’empêchent pas les particules d’entrer et de sortir du plasma, qui est confiné au milieu de la cuve par le champ magnétique et n’entre pas directement en contact avec les parois de la chambre. "Peu importe à quel point vous faites chaud au milieu, les murs sont froids", a déclaré Richard Majeski, physicien de recherche principal au PPPL et maître de conférences avec rang de professeur en sciences astrophysiques. "C'est un peu comme une mauvaise isolation dans une maison."

Un revêtement en lithium à l’intérieur de la chambre peut cependant agir comme une éponge, absorbant les particules parasites qui fuient la réaction de fusion.

Koel (à droite) et Ryan Sullenberger, étudiant diplômé en génie mécanique et aérospatial (à gauche), utilisent les rayons X pour faire exploser les électrons de la surface d'un échantillon et mesurer leurs énergies dans cet appareil, un spectromètre photoélectronique à rayons X. Ces informations peuvent révéler ce qui arrive au lithium pendant la fusion et aider les chercheurs à trouver des moyens d'améliorer les revêtements en lithium dans les expériences sur les réacteurs à fusion.