Ένας νέος θεμελιώδης νόμος που ξεκλειδώνει τους περιορισμούς της ενέργειας σύντηξης

Οι φυσικοί του EPFL, σε μια μεγάλη ευρωπαϊκή συνεργασία, αναθεώρησαν έναν από τους θεμελιώδεις νόμους που έχει θεσπιστεί[{” 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.”

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.”

Η απάντηση ήρθε το 1988, όταν ο επιστήμονας σύντηξης Martin Greenwald δημοσίευσε έναν διάσημο νόμο που συσχετίζει την πυκνότητα του καυσίμου με τη μικρή ακτίνα tokamak (την ακτίνα του εσωτερικού κύκλου ενός ντόνατ) και το ρεύμα που ρέει στο πλάσμα μέσα στο tokamak. Έκτοτε, το «όριο Γκρίνβαλντ» έχει γίνει θεμελιώδης αρχή της έρευνας για τη σύντηξη. Στην πραγματικότητα, η στρατηγική κατασκευής tokamak του ITER βασίζεται σε αυτό.

Ο Ρίτσι εξηγεί: «Ο Γκρίνβαλντ αντλεί το νόμο εμπειρικά, και αυτό είναι εξ ολοκλήρου από εμπειρικά δεδομένα – όχι μια δοκιμασμένη θεωρία ή αυτό που ονομάζουμε «πρώτες αρχές». Ωστόσο, το όριο λειτούργησε καλά στην έρευνα. Και σε ορισμένες περιπτώσεις, όπως το DEMO (ο διάδοχος του ITER), αυτή η εξίσωση είναι ένα μεγάλο όριο στη λειτουργία του, επειδή λέει ότι δεν μπορείτε να αυξήσετε την πυκνότητα του καυσίμου πάνω από ένα συγκεκριμένο επίπεδο.»

Σε συνεργασία με τις ομάδες tokamak, το Ελβετικό Κέντρο Πλάσματος σχεδίασε ένα πείραμα όπου θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί εξαιρετικά προηγμένη τεχνολογία για τον ακριβή έλεγχο της ποσότητας καυσίμου που εγχέεται στο tokamak. Οι μαζικές δοκιμές διεξήχθησαν στο μεγαλύτερο tokamak του κόσμου, το Joint European Tokamak (JET) στο Ηνωμένο Βασίλειο, καθώς και η αναβάθμιση ASDEX στη Γερμανία (Ινστιτούτο Max Planck) και το TCV tokamak της EPFL. Αυτή η μεγάλη πειραματική προσπάθεια κατέστη δυνατή από την κοινοπραξία EUROfusion, τον ευρωπαϊκό οργανισμό που συντονίζει την έρευνα σύντηξης στην Ευρώπη και στην οποία συμμετέχει πλέον το EPFL μέσω του Ινστιτούτου Max Planck για τη Φυσική του Πλάσματος στη Γερμανία.

Την ίδια στιγμή, ο Maurizio Giacomene, ένας διδακτορικός φοιτητής στην ομάδα του Ricci, άρχισε να αναλύει τις φυσικές διαδικασίες που περιορίζουν την πυκνότητα tokamak, προκειμένου να εξαγάγει έναν νόμο στοιχειωδών αρχών που θα μπορούσαν να συσχετίσουν την πυκνότητα του καυσίμου με τον όγκο tokamak. Μέρος αυτού περιλαμβάνει τη χρήση μιας προηγμένης προσομοίωσης πλάσματος χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο υπολογιστή.

«Οι προσομοιώσεις εκμεταλλεύονται μερικούς από τους μεγαλύτερους υπολογιστές στον κόσμο, όπως εκείνους που έγιναν δυνατοί από το CSCS, το Ελβετικό Εθνικό Κέντρο Υπερυπολογιστών και το EUROfusion», λέει ο Ritchie. «Και αυτό που βρήκαμε, μέσα από τις προσομοιώσεις μας, είναι ότι καθώς προσθέτετε περισσότερο καύσιμο στο πλάσμα, μέρη του ταξιδεύουν από το εξωτερικό ψυχρό στρώμα του tokamak, το όριο, στον πυρήνα του, επειδή το πλάσμα γίνεται πιο τυρβώδες. Τότε, σε αντίθεση με το ηλεκτρικά χάλκινα καλώδια, τα οποία Γίνεται πιο ανθεκτικό όταν θερμαίνεται, το πλάσμα γίνεται πιο ανθεκτικό όταν κρυώνει. Έτσι, όσο περισσότερο καύσιμο βάζετε στην ίδια θερμοκρασία, τα μέρη του κρυώνουν — και τόσο πιο δύσκολο είναι να ρέει ρεύμα το πλάσμα, το οποίο μπορεί να οδηγήσει σε αναταράξεις».

Αυτή ήταν μια πρόκληση για προσομοίωση. «Οι αναταράξεις σε ένα ρευστό είναι στην πραγματικότητα το πιο σημαντικό ανοιχτό ζήτημα στην κλασική φυσική», λέει ο Ritchie. «Αλλά οι αναταράξεις στο πλάσμα είναι πιο περίπλοκες γιατί έχετε και ηλεκτρομαγνητικά πεδία».

Στο τέλος, ο Ritchie και οι συνεργάτες του κατάφεραν να σπάσουν τον κώδικα και να βάλουν “στυλό σε χαρτί” για να εξαγάγουν μια νέα εξίσωση για το μέγιστο όριο καυσίμου στο tokamak, η οποία ευθυγραμμίζεται καλά με τα πειράματα. Δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης Στις 6 Μαΐου 2022, αποδίδει δικαιοσύνη στα σύνορα του Γκρίνουαλντ, πλησιάζοντας τα, αλλά τα εκσυγχρονίζει με σημαντικούς τρόπους.

Η νέα εξίσωση προϋποθέτει ότι το όριο Greenwald μπορεί να αυξηθεί περίπου δύο φορές όσον αφορά τα καύσιμα στο ITER. Αυτό σημαίνει ότι τα tokamaks όπως το ITER μπορούν στην πραγματικότητα να χρησιμοποιήσουν σχεδόν διπλάσιο καύσιμο για να παράγουν πλάσμα χωρίς να ανησυχούν για αναταράξεις. “Αυτό είναι σημαντικό γιατί δείχνει ότι η ένταση που μπορείτε να επιτύχετε σε ένα tokamak αυξάνεται με την ισχύ που χρειάζεστε για να το εκτελέσετε”, λέει ο Ritchie. «Στην πραγματικότητα, το DEMO θα λειτουργεί με πολύ υψηλότερη ισχύ από τα σημερινά tokamak και ITER, πράγμα που σημαίνει ότι μπορείτε να προσθέσετε περισσότερη πυκνότητα καυσίμου χωρίς να μειώσετε την παραγωγή, σε αντίθεση με το νόμο του Greenwald. Και αυτό είναι πολύ καλά νέα».

Παραπομπή: «Οριομετρητής πυκνότητας tokamak πρώτων αρχών με βάση τη μεταφορά τυρβώδους άκρου και οι αντανακλάσεις του στο ITER» Από M. Giacomin, A. Pau, P. Ricci, O. Sauter, T. Eich, ASDEX Upgrade Team, JET Shareholders και TCV Ομάδα , 6 Μαΐου 2022, Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης.
DOI: 10.1103/ PhysRevLett.128.185003

Κατάλογος συντελεστών

• Swiss Plasma Center EPFL
• Ινστιτούτο Μαξ Πλανκ για τη Φυσική του Πλάσματος
• Ομάδα EPFL TCV
• Ομάδα Αναβάθμισης ASDEX
• Συνεισφέροντες στο JET

Χρηματοδότηση: Κοινοπραξία EUROfusion (Ερευνητικό και Εκπαιδευτικό Πρόγραμμα Ευρατόμ), Ελβετικό Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (SNSF)