Nowe prawo podstawowe, które uwalnia ograniczenia energii termojądrowej

Fizycy z EPFL, w ramach ważnej współpracy europejskiej, zrewidowali jedno z ustanowionych podstawowych praw[{” 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.”

Odpowiedź nadeszła w 1988 roku, kiedy naukowiec zajmujący się syntezą jądrową, Martin Greenwald, opublikował słynne prawo dotyczące gęstości paliwa z małym promieniem tokamaka (promień wewnętrznego okręgu pączka) i prądem płynącym w plazmie wewnątrz tokamaka. Od tego czasu „granica Greenwalda” stała się centralną zasadą badań nad syntezą jądrową. W rzeczywistości na tym opiera się strategia ITER dotycząca budowy tokamaka.

Ritchie wyjaśnia: „Greenwald czerpie prawo empirycznie i to w całości na podstawie danych empirycznych — a nie sprawdzonej teorii lub tego, co nazywamy „pierwszymi zasadami”. A w niektórych przypadkach, jak DEMO (następca ITER), to równanie jest dużym ograniczeniem jego działania, ponieważ mówi, że nie można zwiększyć gęstości paliwa powyżej pewnego poziomu.”

Współpracując z zespołami tokamaków, Swiss Plasma Center zaprojektowało eksperyment, w którym wysoce zaawansowaną technologię można wykorzystać do precyzyjnego kontrolowania ilości paliwa wtryskiwanego do tokamaka. Masowe próby przeprowadzono na największym na świecie tokamaku, Joint European Tokamak (JET) w Wielkiej Brytanii, a także na modernizacji ASDEX w Niemczech (Max Planck Institute) i tokamaku TCV EPFL. Ten poważny wysiłek eksperymentalny był możliwy dzięki konsorcjum EUROfusion Consortium, europejskiej organizacji koordynującej badania nad syntezą termojądrową w Europie, w którą EPFL jest obecnie zaangażowana za pośrednictwem Instytutu Fizyki Plazmy im. Maxa Plancka w Niemczech.

W tym samym czasie Maurizio Giacomene, doktorant z grupy Ricciego, zaczął analizować procesy fizyczne, które ograniczają gęstość tokamaka, aby wyprowadzić prawo podstawowych zasad, które mogłyby powiązać gęstość paliwa z objętością tokamaka. Częściowo wiąże się to z wykorzystaniem zaawansowanej symulacji plazmy z wykorzystaniem modelu komputerowego.

„Symulacje wykorzystują jedne z największych komputerów na świecie, takie jak te, które umożliwiły CSCS, Szwajcarskie Narodowe Centrum Superkomputerów i EUROfusion”, mówi Ritchie. „Na podstawie naszych symulacji odkryliśmy, że gdy dodaje się więcej paliwa do plazmy, jej części przemieszczają się z zewnętrznej, zimnej warstwy tokamaka, granicy, do jego jądra, ponieważ plazma staje się bardziej turbulentna. miedziane przewody elektryczne, które stają się bardziej odporne po podgrzaniu, plazma staje się bardziej odporna, gdy się ochładza. Więc im więcej paliwa włożysz do niej w tej samej temperaturze, jej części ostygną — i tym trudniej jest przepływać prądowi w plazmie , co może prowadzić do turbulencji”.

To było wyzwanie do symulacji. „Turbulencje w płynie to w rzeczywistości najważniejsza otwarta kwestia w fizyce klasycznej” – mówi Ritchie. „Ale turbulencje w plazmie są bardziej złożone, ponieważ występują również pola elektromagnetyczne”.

W końcu Ritchie i jego koledzy byli w stanie rozszyfrować kod i przełożyć „pióro na papier”, aby uzyskać nowe równanie maksymalnego limitu paliwa na tokamaku, co dobrze pasuje do eksperymentów. Opublikowano w czasopiśmie Fizyczne listy kontrolne 6 maja 2022 r. oddaje sprawiedliwość granicy Greenwald, zbliżając się do niej, ale w istotny sposób ją modernizuje.

Nowe równanie zakłada, że ​​limit Greenwalda może zostać podniesiony około dwukrotnie pod względem zużycia paliwa w ITER; Oznacza to, że tokamaki, takie jak ITER, mogą faktycznie zużywać dwa razy więcej paliwa do produkcji plazmy, nie martwiąc się o turbulencje. „To ważne, ponieważ pokazuje, że intensywność, jaką można osiągnąć w tokamaku, wzrasta wraz z mocą potrzebną do jego uruchomienia” — mówi Ritchie. „W rzeczywistości DEMO będzie działać przy znacznie większej mocy niż obecne tokamaki i ITER, co oznacza, że ​​można zwiększyć gęstość paliwa bez zmniejszania wydajności, w przeciwieństwie do prawa Greenwalda. I to bardzo dobra wiadomość.”

Odniesienie: „Miernik limitu gęstości tokamaka z pierwszych zasad w oparciu o turbulentny transport krawędzi i jego odbicia na ITER” M. Giacomin, A. Pau, P. Ricci, O. Sauter, T. Eich, zespół aktualizacyjny ASDEX, udziałowcy JET i TCV Zespół , 6 maja 2022, Fizyczne listy kontrolne.
DOI: 10.1103/ PhysRevLett.128.185003

Lista współtwórców

• Szwajcarskie Centrum Plazm EPFL
• Instytut Fizyki Plazmy im. Maxa Plancka
• Zespół EPFL TCV
• Zespół ds. aktualizacji ASDEX
• Współtwórcy JET

Finansowanie: EUROfusion (program badawczo-szkoleniowy Euratom), Szwajcarska Narodowa Fundacja Nauki (SNSF)