Nový základní zákon, který odemyká omezení fúzní energie

Ilustrace ionizovaného plazmatu podobného mraku v tokamakovém fúzním reaktoru ITER. kredit: ITER

Fyzici z EPFL v rámci významné evropské spolupráce zrevidovali jeden ze základních zákonů, který byl zaveden[{“ 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.”

Odpověď přišla v roce 1988, kdy fúzní vědec Martin Greenwald publikoval slavný zákon vztahující hustotu paliva k malému poloměru tokamaku (poloměr vnitřního kruhu koblihy) a proudu tekoucího v plazmatu uvnitř tokamaku. Od té doby se „Greenwaldův limit“ stal základním principem výzkumu fúze. Ve skutečnosti je na tom založena strategie výstavby tokamaku ITER.

Ritchie vysvětluje: „Greenwald odvozuje zákon empiricky, a to výhradně z empirických dat – nikoli z testované teorie nebo toho, čemu říkáme ‚první principy‘.“ Limit však ve výzkumu fungoval dobře. A v některých případech, jako je DEMO (nástupce ITER), je tato rovnice velkým omezením jejího fungování, protože říká, že nemůžete zvýšit hustotu paliva nad určitou úroveň.“

Švýcarské plazmové centrum ve spolupráci s týmy pro tokamaky navrhlo experiment, kde by bylo možné použít vysoce pokročilou technologii k přesné kontrole množství paliva vstřikovaného do tokamaku. Masivní testy byly provedeny na největším tokamaku na světě, Joint European Tokamak (JET) ve Spojeném království, stejně jako na modernizaci ASDEX v Německu (Max Planck Institute) a na tokamaku TCV společnosti EPFL. Toto velké experimentální úsilí umožnilo EUROfusion Consortium, evropská organizace koordinující výzkum fúze v Evropě, do které je nyní EPFL zapojena prostřednictvím Max Planck Institute for Plasma Physics v Německu.

Maurizio Giacomene, doktorand z Ricciho skupiny, ve stejnou dobu začal analyzovat fyzikální procesy, které omezují hustotu tokamaku, aby odvodil zákon základních principů, které by mohly dát do souvislosti hustotu paliva s objemem tokamaku. Součástí toho je použití pokročilé simulace plazmatu pomocí počítačového modelu.

„Simulace využívají některé z největších počítačů na světě, jako jsou ty, které umožnily CSCS, Švýcarské národní centrum pro superpočítače a EUROfusion,“ říká Ritchie. „A co jsme pomocí našich simulací zjistili, je to, že jak přidáte do plazmy více paliva, její části putují z vnější studené vrstvy tokamaku, hranice, do jeho jádra, protože plazma se stává turbulentnější. Na rozdíl od elektrické měděné dráty, které Při zahřívání se stává odolnější, plazma se stává odolnější, když se ochladí. Takže čím více paliva do ní při stejné teplotě vložíte, její části se ochladí – a tím hůře protéká proud plazma, která může vést k turbulenci.“

Tohle byla výzva k simulaci. „Turbulence v tekutině je ve skutečnosti nejdůležitější otevřený problém klasické fyziky,“ říká Ritchie. „Ale turbulence v plazmatu je složitější, protože máte také elektromagnetická pole.“

Nakonec Ritchie a jeho kolegové dokázali rozluštit kód a dát „pero na papír“, aby odvodili novou rovnici pro maximální limit paliva v tokamaku, která dobře odpovídá experimentům. Publikováno v časopise Fyzické kontrolní dopisy 6. května 2022 činí spravedlnost vůči hranici Greenwald tím, že se k ní přibližuje, ale významným způsobem ji modernizuje.

Nová rovnice předpokládá, že Greenwaldův limit může být zvýšen přibližně dvakrát, pokud jde o palivo v ITER; To znamená, že tokamaky, jako je ITER, mohou ve skutečnosti spotřebovat dvakrát tolik paliva k výrobě plazmy, aniž by se museli obávat turbulencí. „To je důležité, protože to ukazuje, že intenzita, které můžete v tokamaku dosáhnout, se zvyšuje s výkonem, který potřebujete k jeho provozu,“ říká Ritchie. „Ve skutečnosti bude DEMO pracovat s mnohem vyšším výkonem než současné tokamaky a ITER, což znamená, že můžete přidat větší hustotu paliva bez snížení výkonu, na rozdíl od Greenwaldova zákona. A to je velmi dobrá zpráva.“

Reference: “První principy měřič hustoty tokamaku založený na turbulentním okrajovém transportu a jeho odrazech na ITER” M. Giacomin, A. Pau, P. Ricci, O. Sauter, T. Eich, ASDEX Upgrade Team, JET Shareholders a TCV Tým, 6. května 2022, Fyzické kontrolní dopisy.
DOI: 10.1103/ PhysRevLett.128.185003

Seznam přispěvatelů