Koel は、PPPL で界面化学の科学を核融合研究に応用しています

プリンストン大学の化学生物工学教授ブルース・コール氏は、プリンストンプラズマ物理研究所の科学者らと協力して、核融合が直面する最大の障害の一つ、つまり核融合反応を長時間燃焼し続ける方法を解決するために界面化学の科学を応用しようと取り組んでいる。 注: この記事の写真には、撮影時には使用されていない機器を持った研究者が写っています。

写真提供者: エル・スタークマン

ブルース・コールの新しいオフィスからホールを下りたところにある研究室では、燃える星のエネルギーを蓄えている浴槽ほどの大きさのチャンバーの温度が摂氏1100万度を超えようとしている。

このチャンバーは、米国エネルギー省のプリンストン プラズマ物理研究所 (PPPL) に設置されており、科学者たちは、太陽や他の星に燃料を供給するのと同じプロセスである原子の融合を利用して、安全でクリーンで豊富なエネルギーを地球に提供する方法を模索しています。家も会社も。

プリンストン大学の化学生物工学教授であるコール氏は、PPPL の科学者と協力して、地球上で太陽のエネルギーを捕捉するという課題に取り組んでいます。 昨年プリンストン大学の教員に任命されたコール氏の専門分野は界面化学です。 PPPL での彼の使命は、表面科学を応用して、核融合が直面する最大の障害の 1 つである、核融合反応を長期間燃焼し続ける方法を解決することです。

原子の融合により膨大なエネルギーが放出されますが、このプロセスは非常に高い温度でのみ発生します。 核融合が将来の発電所の基礎となるためには、科学者はプロセスの冷却を防ぐ方法を見つける必要があります。

驚くべきことに、原子炉の内壁にある人間の髪の毛の幅ほどの薄い金属の内張りが、この冷却を防ぐのに役立つ可能性があります。 Koel は PPPL の科学者と協力して、このライニングの材料を研究しています。 最も有望な内張りは、地球上で最も軽い金属であり、水に浮く唯一の金属であるリチウムです。

核融合炉内で見られるものと同様の条件下でリチウムの相互作用を研究するために、高い強度と温度特性で知られるモリブデン、チタン、ジルコニウム、炭素の合金である TZM モリブデンのサンプル上のリチウムを加熱します。一連の電子およびイオン分光計が装備された超高真空チャンバー内で。

数百万度の温度を維持することが不可欠なのは、水素原子の特定の形態または同位体が加熱されすぎて、正に帯電した原子核が負に帯電した電子から分離してプラズマと呼ばれる帯電雲を形成するときに核融合が起こるためです。 これらの水素原子核は高速で飛び回り、互いに衝突し、その結果、原子核が融合してエネルギーが放出されます。

このプラズマは非常に高温であるため、円筒形のステンレス鋼と銅のチャンバー内に収容された磁力場のみがプラズマを閉じ込めることができます。 しかし、浮遊粒子は常に帯電した雲から逃げてチャンバーの壁に衝突し、その後プラズマに跳ね返されます。 冷たい粒子が灼熱ガスに戻る循環によってプラズマが冷却され、プラズマが乱流して不安定になります。

耐熱性カーボンタイルがチャンバーの内側を覆っていますが、プラズマ内への粒子の出入りを止めることはできません。プラズマは磁場によって容器の中央に閉じ込められ、チャンバーの壁に直接接触しません。 PPPL の主任研究物理学者であり、天体物理学の教授の地位にある講師であるリチャード・マジェスキー氏は、「中心部をいかに熱くしても、壁は冷たい」と語る。 「それは家の断熱が悪いようなものです。」

ただし、チャンバーの内側にあるリチウムの内張りはスポンジのように機能し、核融合反応から逃れた漂遊粒子を吸収します。

ケル氏（右）と機械・航空宇宙工学の大学院生ライアン・サレンバーガー氏（左）は、X線を使用してサンプルの表面から電子を噴射し、この装置であるX線光電子分光計で電子を測定します。 この情報は、核融合中にリチウムに何が起こるかを明らかにし、研究者が核融合炉の実験でリチウムライナーを改善する方法を見つけるのに役立ちます。