リチウムトカマク実験

リチウムトカマク実験装置（LTX）とその前身である電流駆動実験装置アップグレード版（CDX-U）は、プリンストンプラズマ物理研究所において、プラズマ対向機器（PFC）としての液体リチウムの研究に特化した装置である。

商用核融合発電開発における継続的な研究課題の一つは、原子炉容器のプラズマ対向部分、すなわち第一壁の材料選定である。ほとんどの原子炉は高真空に相当する環境で運転されるため、磁石が内部空間に及ぼす内向きの圧力に耐える高強度材料が求められる。代表的な材料としては、各種鋼合金など、他の化学プロセスや原子プロセスで使用されるものが挙げられます。

残念ながら、これらの材料は核融合炉で使用する際に多くの欠点があります。大きな問題の一つは、漏れ出した核融合燃料が材料に衝突すると冷却され、より低い温度で燃料塊に戻り、燃料全体を冷却してしまうことです。これは「リサイクル」として知られています。もう一つの問題は、これらの反応によって金属原子が剥離する可能性があり、金属原子は原子番号が大きいため、加熱されると大量のX線を放出し、これもプラズマ燃料を冷却してしまうことです。

液体リチウムPFCの魅力的な特徴の一つは、リサイクルが事実上不要になることです。これは、リチウムが原子状水素と高い化学反応性を持ち、水素がPFC内に保持されるためです。さらに、リチウムは原子番号Zが小さいため、プラズマ中に放出される可能性のあるPFC材料からの放射によるエネルギー損失を最小限に抑えることができます。放射はZの増加に伴って強く増加するためです。最後に、流動する液体リチウムは、原子炉壁面で想定される高い電力密度にも対応できる可能性があります。

主要なトカマク装置はすべて、低リサイクル条件下で最高の性能を発揮してきた。完全にリサイクルしない壁が実現できれば、理論的には磁気閉じ込めの基本的な性質が変化すると予測される。温度と密度の分布、およびプラズマ電流分布は、有害なプラズマ不安定性を排除する可能性がある。さらに、エネルギーと粒子の損失を引き起こす輸送メカニズムが低減され、より高いエネルギー閉じ込めを持つプラズマが得られる可能性がある。

2000年から2005年までPPPLで運用された。^{[ 1 ]}

大面積液体リチウムPFCの最初の試験として、CDX-Uは真空チャンバーの底部にリチウムを収容するためのトロイダルトレイを備えていた。この部分的な非リサイクルPFCであっても、プラズマ性能の大幅な改善が得られた。不純物が低減され、2005年にはエネルギー閉じ込めが劇的に改善（6倍）したことが観測された。^{[ 1 ]}

より完全な非リサイクル型PFCを実現するため、CDX-U真空容器を分解し、内部に加熱式内殻を設置した。これはCDX-UをLTXに転換する上で重要なステップであった。

LTXは2008年に最初のプラズマを生成し、2010年にリチウム壁コーティングを使用した最初の運転を行った。^{[ 1 ]}

2016年から2019年にかけて、LTXはLTX-βにアップグレードされました。^{[ 2 ]}このアップグレードにより磁場が約3分の2増加し、中性粒子ビーム入射器の加熱が500kW追加されました。^{[ 2 ]}アップグレードされた施設からの最初の結果は2020年8月に報告されました。^{[ 3 ]}