To kluczowe odkrycie sygnalizuje ogromny krok naprzód w rozwoju reaktorów termojądrowych

Naukowcy wykorzystali fale Alfvéna do tłumienia uciekających elektronów w urządzeniach do syntezy tokamaków, co dostarczyło poważnych wniosków dla przyszłych projektów w zakresie energii termojądrowej, w tym ITER we Francji.

Naukowcy pod kierunkiem Zhanga Liu z Laboratorium Fizyki Plazmy w Princeton (PPPL) ujawniło obiecujące podejście do łagodzenia uszkodzeń niekontrolowanych elektronów spowodowanych turbulencjami w urządzeniach do syntezy tokamaka. Kluczem do takiego podejścia było wykorzystanie unikalnego gatunku osocze Fala nazwana na cześć astrofizyka Hansa Alvvéna, laureata Nagrody Nobla w 1970 roku.

Od dawna wiadomo, że fale Alfvéna rozluźniają uwięzienie cząstek o wysokiej energii w reaktorach tokamakowych, umożliwiając niektórym ucieczkę i zmniejszając wydajność urządzeń w kształcie pączka. Jednak nowe odkrycia Zhanga Liu i badaczy z General Atomics, Columbia University i PPPL ujawniły przydatne wyniki w przypadku uciekających elektronów.

Świetny proces okrężny

Naukowcy odkryli, że takie rozluźnienie może rozproszyć elektrony o wysokiej energii, zanim zamienią się one w lawiny, które uszkodzą elementy tokamaka. Proces ten ma charakter niezwykle kołowy: uciekinierzy tworzą niestabilność, która powoduje powstawanie fal Alfvéna, które uniemożliwiają uformowanie się lawiny.

„Odkrycia te stanowią kompleksowe wyjaśnienie bezpośredniej obserwacji fal Alfvéna w eksperymentach z inaktywacją” – powiedział Liu, badacz z PPPL i główny autor artykułu szczegółowo opisującego wyniki. Listy z przeglądu fizycznego. „Wyniki pokazują wyraźny związek między tymi wzorami a generowaniem uciekających elektronów”.

Chang Liu. Źródło: Elle Starkman

Naukowcy opracowali teorię obserwowanego obwodu tych interakcji. Wyniki dobrze odpowiadają uciekinierom z eksperymentów przeprowadzonych w National Fusion Facility DIII-D, tokamaku Departamentu Energii obsługiwanym przez General Atomics na zlecenie Office of Science. Testy tej teorii również dały pozytywny wynik na superkomputerze Summit znajdującym się w Oak Ridge National Laboratory.

„Praca Zhanga Liu pokazuje, że wielkość puli uciekających elektronów można kontrolować poprzez niestabilności powodowane przez same uciekające elektrony” – powiedział Felix Parra Diaz, kierownik działu teorii w PPPL. „Jego badania są bardzo ekscytujące, ponieważ mogą doprowadzić do konstrukcji tokamaków, które w naturalny sposób łagodzą uszkodzenia spowodowane przez niekontrolowane elektrony poprzez wrodzoną niestabilność”.

Hartowanie termiczne

Turbulencja zaczyna się od gwałtownego spadku temperatury o milion stopni wymaganej do reakcji termojądrowych. Krople te, zwane „gaszeniem termicznym”, uwalniają lawiny osuwiskowe podobne do osuwisk wywoływanych przez trzęsienia ziemi. „Kontrolowanie turbulencji to główne wyzwanie dla sukcesu tokamaka” – powiedział Liu.

Reakcje termojądrowe łączą lekkie pierwiastki w postaci plazmy – gorącego, naładowanego stanu materii składającego się z wolnych elektronów i jąder atomowych zwanych jonami – w celu uwolnienia masywnej energii, która zasila Słońce i gwiazdy. Ograniczenie ryzyka turbulencji i ucieczki elektronów zapewniłoby zatem wyjątkowe korzyści tokamakom zaprojektowanym do odtwarzania tego procesu.

Ograniczenie ryzyka turbulencji i ucieczki elektronów zapewniłoby zatem wyjątkowe korzyści tokamakom zaprojektowanym do odtwarzania tego procesu.

Energia syntezy jądrowej może być kluczowym źródłem zrównoważonej energii, uzupełniającym odnawialne źródła energii. Największy na świecie eksperyment termojądrowy, ITER, jest obecnie budowany we Francji. Źródło: ITER

Nowe podejście może mieć wpływ na postępy w projekcie ITER – międzynarodowym tokamaku budowanym we Francji w celu zademonstrowania praktycznego zastosowania energii termojądrowej i może stanowić ważny krok w rozwoju elektrowni termojądrowych.

„Nasze odkrycia torują drogę do stworzenia nowych strategii łagodzenia uciekających elektronów” – powiedział Liu. Obecnie na etapie planowania prowadzone są kampanie eksperymentalne, w ramach których trzy ośrodki badawcze mają na celu dalszy rozwój niesamowitych wyników.