一项由九家机构全球合作开展的研究，为设计具有锂壁的聚变发电厂带来新发现，有助于充分利用稀有聚变燃料氚。
锂是未来商业核聚变关键成分托卡马克发电厂的关键元素，但其在托卡马克装置壁中对滞留燃料量的影响此前未明。此次研究发现，燃料滞留的主要驱动因素是共沉积，即燃料与锂一起被捕获，可能源于等离子体操作中直接添加的锂或先前沉积、磨损后再次沉积的锂。
研究还表明，运行中添加锂比预先在壁上涂锂，更能使等离子体核心到边缘产生均匀温度，利于创造商业聚变所需的稳定等离子体条件。该研究超越先前，通过考察托卡马克装置中锂壁行为，提供了更贴近商用聚变系统复杂环境的见解，有助于未来托卡马克装置更好管理氚。
这项发表于《核材料与能源》的研究，首次直接比较了聚变操作前后不同方式添加锂捕获的燃料量。操作中注入的锂粉主要作保护涂层，改善面向等离子体的表面，减少有害物质进入等离子体，还能促进共沉积。研究发现，等离子发射前涂覆的锂涂层厚度对燃料捕获量无显著影响，大部分燃料保留发生在等离子发射过程中添加锂时。
美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的弗洛里安·埃芬伯格表示，因石墨壁腐蚀快且产生灰尘，托卡马克壁面材料转向钨等，需找到调节方法，锂是首选材料，粉末注入技术为实现全液态锂壁提供可行途径。一项计划正在制定，拟在PPPL的国家球形环面实验升级项目(NSTX-U)中包含锂注入器，最终包含面向液态锂等离子体的组件，该实验室还在研发名为球形托卡马克先进反应堆(STAR)的托卡马克装置。
参与研究的团队除PPPL外，还包括来自荷兰基础能源研究所(DIFFER)、埃因霍温理工大学、通用原子公司、桑迪亚国家实验室、奥本大学、田纳西大学诺克斯维尔分校、加州大学圣地亚哥分校以及美国能源部的劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员。
锂可熔化形成自修复层，保护聚变容器内直接面对等离子体的部件，温度足够高时还能形成气体或蒸汽屏蔽保护容器壁。锂壁设计有助于稳定等离子体边缘、增强约束、提高功率密度，但也会导致燃料滞留，尤其是放射性、稀缺且受严格监管的氚。过量氚滞留会降低燃料可用性、复杂化氚燃料循环并带来安全和运行隐患。
研究强调，托卡马克设计中避免锂和燃料易积聚的冷壁区域至关重要，使用流动液态锂、保持较高壁温等技术可防止不必要的共沉积，引导氚到易管理回收区域。
研究期间，研究人员使用嵌入DIII-D墙砖的材料样本评估两种用锂方法，一种是在暴露于聚变等离子体前预先涂锂，另一种是将锂添加到插入墙砖的材料样品中并使用杂质粉末滴管系统暴露于聚变等离子体。结果表明，固态锂和氘共沉积比现有锂涂层产生更多燃料滞留，玛丽亚·莫贝计划加热瓷砖使锂液化后比较结果。
埃芬伯格称，这一步将使研究更接近聚变发电厂中锂的运行方式，液态锂最终能提供热保护和流动路径，回收再利用氚燃料。研究还有助于识别托卡马克装置中氚可能积聚的关键区域，了解燃料嵌入方式对使聚变能成为安全经济能源至关重要。
强磁场将大部分等离子体保持在托卡马克装置内呈甜甜圈形状，但部分粒子会逸出撞击容器内壁等部件，粒子被困或反弹各有优缺点，被困氚原子无法回收用于产生能量，反弹粒子会使等离子体整体温度下降，影响聚变反应。
PPPL的Shota Abe、Alessandro Bortolon和Alexander Nagy，通用原子公司的Tyler Abrams，桑迪亚国家实验室的Ryan Hood，奥本大学的Ulises Losada，田纳西大学诺克斯维尔分校的Jun Ren，加州大学圣地亚哥分校的Dmitry Rudakov，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Michael Simmonds、Dinh Truong，以及DIFFER和埃因霍温理工大学的Thomas Morgan也参与了研究。
该研究由美国能源部科学办公室聚变能科学办公室资助，使用通用原子公司运营的DIII-D国家聚变设施，还获得欧盟通过欧洲原子能共同体研究与培训计划的资助。
