Нов закон освобождава енергията на синтеза


плазма

Кредит: CC0 Public Domain

Физиците от EPFL, в рамките на голямо европейско сътрудничество, преразгледаха един от фундаменталните закони, който е основополагащ за изследванията на плазмата и синтеза в продължение на повече от три десетилетия, дори управлявайки проектирането на мегапроекти като ITER. Актуализацията показва, че всъщност можем безопасно да използваме повече водородно гориво в термоядрени реактори и следователно да получим повече енергия, отколкото се смяташе преди.

Ядреният синтез е един от най-обещаващите източници на бъдеща енергия. Той включва две атомни ядра, които се комбинират в едно, като по този начин се освобождават огромни количества енергия. Всъщност ние преживяваме синтез всеки ден: слънчевата топлина идва от водородни ядра сливане в по-тежки атоми на хелий.

Понастоящем съществува международен мегапроект за изследвания на синтеза, наречен ITER, който има за цел да възпроизведе процесите на синтез на слънцето, за да създаде енергия на Земята. Неговата цел е създаването на високотемпературна плазма, която осигурява подходящата среда за осъществяване на синтез, произвеждайки енергия.

Плазмите – йонизирано състояние на материята, подобно на газ – са съставени от положително заредени ядра и отрицателно заредени електрони и са почти милион пъти по-малко плътни от въздуха, който дишаме. Плазмите се създават чрез подлагане на “топливото гориво” –водородни атоми— до изключително високи температури (10 пъти по-високи от тази на ядрото на слънцето), принуждавайки електроните да се отделят от своите атомни ядра. Процесът се извършва вътре в структура с форма на поничка (“тороидална”), наречена “токамак

„За да създадете плазма за синтез, трябва да вземете предвид три неща: висока температура, висока плътност на водородното гориво и добро задържане“, казва Паоло Ричи от Швейцарския плазмен център, един от водещите световни изследователски институти в областта на синтеза, разположен в EPFL.

Нов закон освобождава енергията на синтеза

Времева следа на газовия поток, електронната плътност от разсейването на Томсън, интензитета на излъчване и магнитните смущения за JET разряд № 80823. Събитието MARFE се идентифицира чрез силното увеличение на радиацията, измерено над точката X. Началото на MARFE предхожда появата на заключен режим, което в крайна сметка води до смущения в плазмата. Червената пунктирана вертикална линия представлява времето на началото на MARFE, tМ ≃ 20,9 с. Началото на заключения режим N = 1 настъпва на 21,95 s, докато времето на прекъсване е на 21,1 s. кредит: Писма за физически преглед (2022 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.185003

Работейки в рамките на голямо европейско сътрудничество, екипът на Ричи публикува проучване, актуализиращо основния принцип за генериране на плазма – и показва, че предстоящият токамак ITER може действително да работи с два пъти по-голямо количество водород и следователно да генерира повече енергия на синтез, отколкото се смяташе преди.

„Едно от ограниченията при правенето на плазма в токамак е количеството водородно гориво, което можете да инжектирате в него“, казва Ричи. „Още от първите дни на синтеза знаем, че ако се опитате да увеличите плътността на горивото, в един момент ще има това, което ние наричаме „прекъсване“ – по същество вие напълно губите ограничението и плазмата отива навсякъде. Така че в през осемдесетте години хората се опитваха да измислят някакъв закон, който да предскаже максималната плътност на водорода, която можете да поставите в токамак.”

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, това е изцяло от експериментални данни— не е изпитана теория или това, което бихме нарекли „първи принципи“,“ обяснява Ричи. „Все пак ограничението работи доста добре за изследвания. И в някои случаи, като DEMO (наследникът на ITER), това уравнение представлява голяма граница 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, д-р. студент от групата на Ричи, започна да анализира физическите процеси, които ограничават плътността в токамаците, за да изведе закон от първите 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. , за разлика от електрическа медна жица, която става по-устойчива при нагряване, плазмата става по-устойчива, когато се охлади. Така че колкото повече гориво поставите в нея при същата температура, толкова повече части от нея се охлаждат – и толкова по-трудно е за протичане на тока 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 турбуленция в а плазма е още по-сложно, 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 Писма за физически прегледтой 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 производство на плазма 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 още гориво плътност без ограничаване на изхода, за разлика от закона на Гринуолд. И това е много добра новина.”


Към енергията на синтеза, екипът моделира плазмена турбуленция на най-бързия суперкомпютър в страната


Повече информация:
M. Giacomin et al, Първи принципи за мащабиране на границата на плътността в токамаците на базата на турбулентен транспорт на ръба и последици за ITER, Писма за физически преглед (2022 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.185003

Цитат: Нов закон освобождава веригата на синтезираната енергия (2022 г., 17 май), извлечена на 23 май 2022 г. от https://phys.org/news/2022-05-law-unchains-fusion-energy.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяка честна сделка с цел частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писменото разрешение. Съдържанието е предоставено само за информационни цели.