O nouă lege fundamentală care deblochează limitările energiei de fuziune

Fizicienii de la EPFL, într-o colaborare europeană majoră, au revizuit una dintre legile fundamentale care a fost stabilită[{” 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.”

Răspunsul a venit în 1988, când omul de știință al fuziunii Martin Greenwald a publicat o lege faimoasă referitoare la densitatea combustibilului cu raza mică a tokamakului (raza cercului interior al unei gogoși) și a curentului care curge în plasmă din interiorul tokamakului. De atunci, „limita Greenwald” a devenit un principiu fundamental al cercetării fuziunii. De fapt, strategia de construire a tokamak a ITER se bazează pe aceasta.

Ritchie explică: „Greenwald derivă legea în mod empiric, iar acest lucru este în întregime din date empirice – nu o teorie testată sau ceea ce numim „primele principii”.“ Cu toate acestea, limita a funcționat bine în cercetare. Și în unele cazuri, precum DEMO (succesorul ITER), această ecuație este o limită mare pentru funcționarea sa, deoarece spune că nu poți crește densitatea combustibilului peste un anumit nivel.”

Lucrând cu echipele de tokamak, Centrul Elvețian de Plasmă a proiectat un experiment în care ar putea fi utilizată o tehnologie foarte avansată pentru a controla cu precizie cantitatea de combustibil injectată în tokamak. Testele masive au fost efectuate la cel mai mare tokamak din lume, Joint European Tokamak (JET) din Marea Britanie, precum și upgrade-ul ASDEX din Germania (Max Planck Institute) și tokamak-ul EPFL TCV. Acest efort experimental major a fost posibil de către Consorțiul EUROfusion, organizația europeană care coordonează cercetarea fuziunii în Europa și în care EPFL este acum implicată prin Institutul Max Planck pentru Fizica Plasmei din Germania.

În același timp, Maurizio Giacomene, doctorand în grupul lui Ricci, a început să analizeze procesele fizice care limitează densitatea tokamakului, pentru a deriva o lege a principiilor elementare care ar putea lega densitatea combustibilului de volumul tokamakului. O parte din aceasta implică utilizarea unei simulări avansate a plasmei folosind un model computerizat.

„Simulările profită de unele dintre cele mai mari computere din lume, cum ar fi cele posibile de CSCS, Centrul Național Elvețian pentru Supercomputing și EUROfusion”, spune Ritchie. „Și ceea ce am descoperit, prin simulările noastre, este că, pe măsură ce adăugați mai mult combustibil în plasmă, părți din acesta călătoresc de la stratul rece exterior al tokamakului, granița, până la miezul său, deoarece plasma devine mai turbulentă. Apoi, spre deosebire de fire electrice de cupru, care devine mai rezistentă atunci când este încălzită, plasma devine mai rezistentă când se răcește. Deci, cu cât puneți mai mult combustibil în ea la aceeași temperatură, părți din acesta se răcesc – și cu atât este mai greu pentru curent să circule în plasma, care poate duce la turbulențe”.

Aceasta a fost o provocare de simulat. „Turbulența într-un fluid este de fapt cea mai importantă problemă deschisă din fizica clasică”, spune Ritchie. „Dar turbulența din plasmă este mai complexă, deoarece aveți și câmpuri electromagnetice”.

În cele din urmă, Ritchie și colegii săi au reușit să spargă codul și să pună „pix pe hârtie” pentru a deriva o nouă ecuație pentru limita maximă de combustibil la tokamak, care se aliniază bine cu experimentele. Publicat în revistă Scrisori de revizuire fizică Pe 6 mai 2022, face dreptate graniței Greenwald, apropiindu-se de ea, dar o modernizează în moduri importante.

Noua ecuație presupune că limita Greenwald poate fi crescută de aproximativ două ori în ceea ce privește combustibilul la ITER; Aceasta înseamnă că tokamak-uri precum ITER pot folosi de fapt de două ori mai mult combustibil pentru a produce plasmă, fără să-și facă griji cu privire la turbulențe. „Acest lucru este important pentru că arată că intensitatea pe care o puteți obține într-un tokamak crește odată cu puterea de care aveți nevoie pentru a-l rula”, spune Ritchie. „De fapt, DEMO va funcționa la o putere mult mai mare decât tokamak-urile și ITER actuale, ceea ce înseamnă că puteți adăuga mai multă densitate a combustibilului fără a reduce producția, spre deosebire de Legea lui Greenwald. Și aceasta este o veste foarte bună.”

Referință: „First principles tokamak density limit meter based on turbulent edge transport and its reflections on ITER” De M. Giacomin, A. Pau, P. Ricci, O. Sauter, T. Eich, ASDEX Upgrade Team, JET Shareholders și TCV Echipa , 6 mai 2022, Scrisori de revizuire fizică.
DOI: 10.1103/ PhysRevLett.128.185003

Lista colaboratorilor

• Centrul Elvețian de Plasmă EPFL
• Institutul Max Planck pentru Fizica Plasmei
• Echipa EPFL TCV
• Echipa de upgrade ASDEX
• Colaboratori la JET

Finanțare: Consorțiul EUROfusion (Programul de cercetare și formare Euratom), Fundația Națională pentru Știință Elvețiană (SNSF)