Един фундаментален нов закон освобождава веригата на синтезираната енергия


ITER термоядрен реактор

Илюстрация на подобна на облак йонизирана плазма в токамак на термоядрен реактор ITER. Кредит: ITER

Физиците от EPFL, в рамките на голямо европейско сътрудничество, преразгледаха един от основните закони, който беше основополагащ за[{” 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.”

Отговорът идва през 1988 г., когато ученият по термоядрения синтез Мартин Гринуолд публикува известен закон, който свързва плътността на горивото с малкия радиус на токамака (радиуса на вътрешния кръг на поничката) и тока, който тече в плазмата вътре в токамака. Оттогава „границата на Гринуолд“ е основополагащ принцип на изследванията на термоядрения синтез; всъщност стратегията на ITER за изграждане на токамак се основава на него.

„Гринвалд изведе закона емпирично, което е изцяло от експериментални данни – не е изпитана теория или това, което бихме нарекли „първи принципи““, обяснява Ричи. „Все пак лимитът работи доста добре за изследвания. И в някои случаи, като DEMO (наследникът на ITER), това уравнение представлява голямо ограничение за тяхната работа, защото казва, че не можете да увеличите плътността на горивото над определено ниво.

Работейки с други екипи по токамак, Швейцарският плазмен център проектира експеримент, при който беше възможно да се използва изключително сложна технология за прецизен контрол на количеството гориво, инжектирано в токамак. Масовите експерименти бяха проведени в най-големите токамаци в света, Joint European Torus (JET) в Обединеното кралство, както и в ASDEX Upgrade в Германия (Max Plank Institute) и собствения TCV токамак на EPFL. Това голямо експериментално усилие стана възможно от консорциума EUROfusion, европейската организация, която координира изследванията на синтеза в Европа и в която EPFL сега участва чрез Института за физика на плазмата Макс Планк в Германия.

В същото време Маурицио Джакомин, докторант в групата на Ричи, започва да анализира физическите процеси, които ограничават плътността в токамаците, за да изведе закон от първи принципи, който може да корелира плътността на горивото и размера на токамака. Част от това обаче включва използването на усъвършенствана симулация на плазмата, извършена с компютърен модел.

„Симулациите използват някои от най-големите компютри в света, като тези, предоставени от CSCS, Швейцарския национален суперкомпютърен център и от EUROfusion“, казва Ричи. „И това, което открихме чрез нашите симулации, беше, че когато добавяте повече гориво в плазмата, части от нея се движат от външния студен слой на токамака, границата, обратно в неговото ядро, защото плазмата става по-турбулентна. Тогава, за разлика от електрическата медна жица, която става по-устойчива при нагряване, плазмите стават по-устойчиви, когато изстинат. Така че, колкото повече гориво поставите в него при същата температура, толкова повече части от него се охлаждат – и толкова по-трудно е токът да тече в плазмата, което вероятно води до прекъсване.

Това беше предизвикателство да се симулира. „Турбулентността във флуид всъщност е най-важният открит въпрос в класическата физика“, казва Ричи. “Но турбулентността в плазмата е още по-сложна, защото имате и електромагнитни полета.”

В крайна сметка Ричи и колегите му успяха да разбият кода и да сложат „писалка на хартия“, за да изведат ново уравнение за ограничение на горивото в токамак, което се съгласува много добре с експериментите. Публикувано в списанието Писма за физически преглед на 6 май 2022 г. той отговаря на границите на Гринуолд, като е близо до него, но го актуализира значително.

Новото уравнение посочва, че границата на Гринуолд може да бъде увеличена почти два пъти по отношение на горивото в ITER; това означава, че токамаците като ITER всъщност могат да използват почти два пъти повече гориво, за да произвеждат плазми без притеснения от прекъсвания. „Това е важно, защото показва, че плътността, която можете да постигнете в токамак, се увеличава с мощността, от която се нуждаете, за да го управлявате“, казва Ричи. „Всъщност DEMO ще работи с много по-висока мощност от настоящите токамаци и ITER, което означава, че можете да добавите повече плътност на горивото, без да ограничавате изхода, за разлика от закона на Гринуолд. И това е много добра новина.”

Справка: „Първи принципи за мащабиране на границата на плътността в токамаците въз основа на турбулентния транспорт на ръба и последиците за ITER“ от M. Giacomin, A. Pau, P. Ricci, O. Sauter, T. Eich, екипът за надграждане на ASDEX, сътрудници на JET, и екипът на TCV, 6 май 2022 г., Писма за физически преглед.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.185003

Списък на сътрудниците

  • EPFL Swiss Plasma Center
  • Макс-Планк-Институт за физика на плазмата
  • Екип на EPFL TCV
  • Екип за надграждане на ASDEX
  • Сътрудници на JET

Финансиране: Консорциум EUROfusion (програма за изследвания и обучение на Евратом), Швейцарска национална научна фондация (SNSF)