Nowe prawo łamie ograniczenia integracji

Fizycy z EPFL, w ramach ważnej współpracy europejskiej, zrewidowali jedno z fundamentalnych praw, które od ponad trzech dekad odgrywa kluczową rolę w badaniach nad plazmą i syntezą termojądrową, regulując nawet projektowanie megaprojektów, takich jak ITER. Aktualizacja pokazuje, że faktycznie możemy bezpiecznie zużywać więcej paliwa wodorowego w reaktorach termojądrowych, uzyskując w ten sposób więcej energii niż wcześniej sądzono.

Fuzja to jedno z najbardziej obiecujących źródeł energii przyszłości. Zawiera dwa jądra atomowe, które łączą się w jedno jądro, uwalniając w ten sposób ogromne ilości energii. W rzeczywistości testujemy połączenie Codziennie: pochodzi z ciepła słońca jądra wodoru Fuzja w cięższe atomy helu.

Obecnie realizowany jest ogromny międzynarodowy projekt badawczy nad syntezą jądrową o nazwie ITER, którego celem jest odtworzenie procesów syntezy słonecznej w celu generowania energii na Ziemi. Jego celem jest wytworzenie wysokotemperaturowej plazmy, która zapewnia odpowiednie środowisko do zachodzenia fuzji i produkcji energii.

Plazma — gazopodobny stan zjonizowanej materii — składa się z dodatnio naładowanych jąder i ujemnie naładowanych elektronów i jest milion razy mniej gęsty niż powietrze, którym oddychamy. Plazma powstaje przez ujarzmienie „paliwa fuzyjnego” –atomy wodoru—do ekstremalnie wysokich temperatur (10 razy wyższych od temperatury jądra Słońca), zmuszając elektrony do oddzielenia się od niego jądra atomowe. Proces odbywa się w strukturze w kształcie pączka („pierścieniowej”) zwanejtokamak. „

Mówi Paolo Ricci ze Swiss Plasma Center, jednego z wiodących na świecie instytutów badawczych w dziedzinie syntezy jądrowej z siedzibą w EPFL.

Dzięki dużej współpracy europejskiej zespół Ricciego opublikował badanie, które ma zaktualizować podstawową zasadę wytwarzania plazmy – i pokazać, że nadchodzący tokamak ITER może faktycznie działać z dwukrotnie większą ilością wodoru, a tym samym generować większą moc syntezy jądrowej niż wcześniej sądzono.

„Jednym z ograniczeń w wytwarzaniu plazmy wewnątrz tokamaka jest ilość paliwa wodorowego, jaką można do niego wstrzyknąć”, mówi Ritchie. „Od pierwszych dni syntezy termojądrowej wiedzieliśmy, że jeśli spróbujesz zwiększyć gęstość paliwa, w pewnym momencie nastąpi coś, co nazywamy „zakłóceniem” – po prostu całkowicie tracisz limit, a plazma gaśnie. gdziekolwiek to jest. W latach 80. ludzie próbowali wymyślić jakieś prawo, które pozwalałoby przewidzieć maksymalną gęstość wodoru, jaką można umieścić w tokamaku”.

Odpowiedź nadeszła w 1988 roku, kiedy naukowiec zajmujący się syntezą jądrową, Martin Greenwald, opublikował słynne prawo dotyczące gęstości paliwa z małym promieniem tokamaka (promień wewnętrznego okręgu pączka) i prądem płynącym w plazmie wewnątrz tokamaka. Od tego czasu „granica Greenwalda” stała się centralną zasadą badań nad syntezą jądrową; W rzeczywistości na tym opiera się strategia budowy tokamaka ITER.

„Greenwald wyprowadził prawo empirycznie, tj. z dane eksperymentalne„To nie jest sprawdzona teoria ani to, co nazywamy 'pierwszymi zasadami'”, wyjaśnia Ritchie. Jednak granica sprawdziła się dobrze w badaniach. A w niektórych przypadkach, jak DEMO (następca ITER), to równanie jest właściwie ogranicza się do jego pracy, ponieważ stwierdza, że ​​nie można zwiększyć intensywności paliwa powyżej pewnego poziomu.”

Współpracując z zespołami tokamaków, Swiss Plasma Center zaprojektowało eksperyment, w którym wysoce zaawansowaną technologię można wykorzystać do precyzyjnego kontrolowania ilości paliwa wtryskiwanego do tokamaka. Masowe próby przeprowadzono na największym na świecie tokamaku, Joint European Tokamak (JET) w Wielkiej Brytanii, a także na modernizacji ASDEX w Niemczech (Max Planck Institute) i tokamaku TCV EPFL. Ten poważny wysiłek eksperymentalny był możliwy dzięki konsorcjum EUROfusion Consortium, europejskiej organizacji koordynującej badania nad syntezą termojądrową w Europie, w którą EPFL jest obecnie zaangażowana za pośrednictwem Instytutu Fizyki Plazmy im. Maxa Plancka w Niemczech.

Jednocześnie dr Maurizio Giacomene Student w grupie Ricciego, zaczął analizować procesy fizyczne ograniczające gęstość w tokamakach, aby wyprowadzić prawo pierwszych zasad, które może powiązać gęstość paliw z objętością tokamaków. Częściowo wiąże się to z wykorzystaniem zaawansowanej symulacji plazmy z wykorzystaniem modelu komputerowego.

„Symulacje wykorzystują jedne z największych komputerów na świecie, takie jak te, które umożliwiły CSCS, Szwajcarskie Narodowe Centrum Superkomputerów i EUROfusion”, mówi Ritchie. „A dzięki naszym symulacjom odkryliśmy, że gdy dodaje się więcej paliwa do plazmy, jej części przemieszczają się z zewnętrznej zimnej warstwy tokamaka, granicy, do jego jądra, ponieważ plazma staje się bardziej turbulentna. elektryczne przewody miedziane, które stają się bardziej odporne po podgrzaniu, plazma staje się bardziej odporna, gdy się ochładza. Tak więc im więcej paliwa włożysz do niej w tej samej temperaturze, jej części ostygną – i trudniej jest przepływać prądowi w plazma, która może prowadzić do turbulencji”.

To było wyzwanie do symulacji. „Turbulencje w płynie to w rzeczywistości najważniejsza otwarta kwestia w fizyce klasycznej” – mówi Ritchie. „Ale zamieszanie w osocze Bardziej skomplikowane, ponieważ masz też pola elektromagnetyczne”.

W końcu Ritchie i jego koledzy byli w stanie złamać kod i przełożyć „pióro na papier”, aby uzyskać nowe równanie na maksymalny limit paliwa na tokamaku, co dobrze pasuje do eksperymentów. Opublikowany w Fizyczne listy kontrolneoddaje sprawiedliwość granicom Greenwalda, zbliżając się do niego, ale aktualizuje je w istotny sposób.

Nowe równanie zakłada, że ​​limit Greenwalda może zostać podniesiony około dwukrotnie pod względem zużycia paliwa w ITER; Oznacza to, że tokamaki, takie jak ITER, mogą faktycznie zużywać dwa razy więcej paliwa do produkcji plazmy, nie martwiąc się o turbulencje. „To ważne, ponieważ pokazuje, że intensywność, jaką można osiągnąć w tokamaku, wzrasta wraz z mocą potrzebną do jego uruchomienia” — mówi Ritchie. W rzeczywistości DEMO będzie działać ze znacznie wyższą mocą niż istniejące tokamaki i ITER, co oznacza, że ​​możesz dodać więcej paliwo Gęstość bez ograniczania produkcji, wbrew prawu Greenwalda. To bardzo dobre wiadomości.”