Nový základný zákon, ktorý odomyká obmedzenia energie jadrovej syntézy

Ilustrácia ionizovanej plazmy podobnej oblakom vo fúznom reaktore tokamaku ITER. kredit: ITER

Fyzici z EPFL v rámci významnej európskej spolupráce zrevidovali jeden zo základných zákonov, ktorý bol stanovený[{“ attribute=““>plasma and fusion research for over three decades, even governing the design of megaprojects like ITER. The update demonstrates that we can actually safely utilize more hydrogen fuel in fusion reactors, and therefore obtain more energy than previously thought.

Fusion is one of the most promising future energy sources . It involves two atomic nuclei merging into one, thereby releasing enormous amounts of energy. In fact, we experience fusion every day: the Sun’s warmth comes from hydrogen nuclei fusing into heavier helium atoms.

There is currently an international fusion research megaproject called ITER that seeks to replicate the fusion processes of the Sun to create energy on the Earth. Its goal is to generate high-temperature plasma that provides the right environment for fusion to occur, producing energy.

Plasmas — an ionized state of matter similar to a gas – are made up of positively charged nuclei and negatively charged electrons, and are almost a million times less dense than the air we breathe. Plasmas are created by subjecting “the fusion fuel” – hydrogen atoms – to extremely high temperatures (10 times that of the core of the Sun), forcing electrons to separate from their atomic nuclei. In a fusion reactor, the process takes place inside a donut-shaped (“toroidal”) structure called a “tokamak.”

Swiss Plasma Center Tokamak Thermonuclear Fusion Reactor

The tokamak thermonuclear fusion reactor at Swiss Plasma Center. Credit: Alain Herzog (EPFL)

“In order to create plasma for fusion, you have to consider three things: high temperature, high density of hydrogen fuel, and good confinement,” says Paolo Ricci at the Swiss Plasma Center, one of the world’s leading research institutes in fusion located at École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL).

Working within a large European collaboration, Ricci’s team has now released a study updating a foundational principle of plasma generation – and showing that the upcoming ITER tokamak can actually operate with twice the amount of hydrogen and therefore generate more fusion energy than previously thought.

“One of the limitations in making plasma inside a tokamak is the amount of hydrogen fuel you can inject into it,” says Ricci. “Since the early days of fusion, we’ve known that if you try to increase the fuel density, at some point there would be what we call a ‘disruption’ – basically you totally lose the confinement, and plasma goes wherever. So in the eighties, people were trying to come up with some kind of law that could predict the maximum density of hydrogen that you can put inside a tokamak.”

Odpoveď prišla v roku 1988, keď fúzny vedec Martin Greenwald zverejnil známy zákon o hustote paliva s malým polomerom tokamaku (polomer vnútorného kruhu šišky) a prúdom prúdiacim v plazme vo vnútri tokamaku. Odvtedy sa „Greenwaldov limit“ stal ústredným princípom výskumu fúzie. V skutočnosti je na tom založená stratégia ITER pre stavbu tokamaku.

Ritchie vysvetľuje: „Greenwald odvodzuje zákon empiricky a toto je výlučne z empirických údajov – nie z overenej teórie alebo toho, čo nazývame ‚prvé princípy‘.“ Limit však vo výskume fungoval dobre. A v niektorých prípadoch, ako napríklad DEMO (nástupca ITER), je táto rovnica veľkým obmedzením jej fungovania, pretože hovorí, že nemôžete zvýšiť hustotu paliva nad určitú úroveň.“

Švajčiarske plazmové centrum v spolupráci s tímami pre tokamaky navrhlo experiment, v ktorom by sa dala použiť vysoko pokročilá technológia na presné riadenie množstva paliva vstrekovaného do tokamaku. Masívne skúšky sa uskutočnili na najväčšom tokamaku na svete, Joint European Tokamak (JET) v Spojenom kráľovstve, ako aj na modernizácii ASDEX v Nemecku (Inštitút Maxa Plancka) a na tokamaku TCV od EPFL. Toto veľké experimentálne úsilie umožnilo EUROfusion Consortium, európska organizácia koordinujúca výskum fúzie v Európe, do ktorej je teraz EPFL zapojená prostredníctvom Inštitútu Maxa Plancka pre fyziku plazmy v Nemecku.

V tom istom čase Maurizio Giacomene, doktorand v Ricciho skupine, začal analyzovať fyzikálne procesy, ktoré obmedzujú hustotu tokamaku, s cieľom odvodiť zákon základných princípov, ktoré by mohli spájať hustotu paliva s objemom tokamaku. Časť toho zahŕňa použitie pokročilej simulácie plazmy pomocou počítačového modelu.

„Simulácie využívajú niektoré z najväčších počítačov na svete, ako napríklad tie, ktoré umožnili CSCS, Švajčiarske národné centrum pre superpočítače a EUROfusion,“ hovorí Ritchie. „A z našich simulácií sme zistili, že keď do plazmy pridávate viac paliva, jej časti putujú z vonkajšej studenej vrstvy tokamaku, hranice, do jeho jadra, pretože plazma sa stáva turbulentnejšou. Potom, na rozdiel od medené elektrické drôty, ktoré sa po zahriatí stávajú odolnejšími, plazma sa stáva odolnejšou, keď sa ochladzuje. Takže čím viac paliva do nej pri rovnakej teplote vložíte, jej časti sa ochladia – a tým ťažšie preteká prúd v plazme , čo môže viesť k turbulenciám.“

Toto bola výzva na simuláciu. „Turbulencia v tekutine je v skutočnosti najdôležitejším otvoreným problémom klasickej fyziky,“ hovorí Ritchie. „Ale turbulencie v plazme sú zložitejšie, pretože máte aj elektromagnetické polia.“

Nakoniec Ritchie a jeho kolegovia dokázali rozlúštiť kód a dať „pero na papier“, aby odvodili novú rovnicu pre maximálny limit paliva v tokamaku, ktorá je v súlade s experimentmi. Publikované v časopise Fyzické kontrolné listy 6. mája 2022 robí spravodlivosť voči hraniciam Greenwald tým, že sa k nim približuje, no významným spôsobom ich modernizuje.

Nová rovnica predpokladá, že Greenwaldov limit sa môže zvýšiť približne dvakrát, pokiaľ ide o palivo v ITER; To znamená, že tokamaky ako ITER môžu skutočne spotrebovať dvakrát toľko paliva na výrobu plazmy bez obáv z turbulencií. „Je to dôležité, pretože to ukazuje, že intenzita, ktorú môžete dosiahnuť v tokamaku, sa zvyšuje so silou, ktorú potrebujete na jeho spustenie,“ hovorí Ritchie. „V skutočnosti bude DEMO pracovať pri oveľa vyššom výkone ako súčasné tokamaky a ITER, čo znamená, že môžete pridať väčšiu hustotu paliva bez zníženia výkonu, na rozdiel od Greenwaldovho zákona. A to je veľmi dobrá správa.“

Referencia: “Prvé princípy merač hustoty tokamaku založený na turbulentnom okrajovom transporte a jeho odrazoch na ITER” Autori M. Giacomin, A. Pau, P. Ricci, O. Sauter, T. Eich, ASDEX Upgrade Team, akcionári JET a TCV Tím, 6. mája 2022, Fyzické kontrolné listy.
DOI: 10.1103/ PhysRevLett.128.185003

Zoznam prispievateľov

  • Švajčiarske plazmové centrum EPFL
  • Inštitút Maxa Plancka pre fyziku plazmy
  • Tím EPFL TCV
  • Tím pre inováciu ASDEX
  • Prispievatelia do JET

Financovanie: EUROfusion (Výskumný a školiaci program Euratomu), Švajčiarska národná vedecká nadácia (SNSF)

READ  Môžete sa lepšie ovládať

Pridaj komentár

Vaša e-mailová adresa nebude zverejnená.