Przełom w zakresie syntezy jądrowej, naukowcy łamią kluczowy kod źródła energii „Świętego Graala” | nauka | Aktualności

Fuzja jądrowa to naturalny proces zachodzący w gwiazdach takich jak Słońce, w którym jądra wodoru są pobierane i łączone w hel, uwalniając w tym procesie ogromne ilości energii. Nazywana „świętym Graalem” źródłem energii, fuzja może generować ponad cztery miliony razy więcej energii uwalnianej przez równoważną reakcję chemiczną – taką jak spalanie węgla, ropy naftowej lub gazu – i czterokrotnie większe rozszczepienie jądrowe, które obejmuje rozszczepianie atomów.

Fuzja wymaga niezwykle wysokich temperatur i ciśnień, które powstają w gwiazdach w wyniku ich ogromnej masy i przyciągania grawitacyjnego.

Osiągnięcie takich samych warunków na Ziemi wymaga uwięzienia przegrzanej plazmy — naładowanego stanu materii złożonego ze swobodnych elektronów i jądra atomowego — wewnątrz okrągłego pola magnetycznego w kształcie placka w maszynie zwanej tokamakiem.

Wiadomo jednak, że urządzenia te ulegają zastanawiającym cieplnie awariom, po których następują duże zakłócenia plazmy, które mogą uszkodzić otaczający reaktor.

W swoich badaniach dr Min-Gu Yu z Laboratorium Fizyki Plazmy w Princeton Departamentu Energii USA wraz z kolegami śledzą to załamanie w trójwymiarowym zaburzeniu pól magnetycznych, które ograniczają przegrzaną plazmę.

„Zaproponowaliśmy nowy sposób zrozumienia linii pola, które zwykle były pomijane lub słabo rozwinięte w poprzednich badaniach” – powiedział dr Yu.

Dzięki eksperymentalnym symulacjom zespół odkrył, że plazma była w stanie szybko wydostać się z zamknięcia, jeśli pole magnetyczne zostało zakłócone przez niestabilność plazmy.

Uwolniona z magnetycznego więzienia plazma o temperaturze miliona stopni może uderzać w ściany otaczającego reaktora termojądrowego i powodować ogromne zniszczenia.

Współautor artykułu i inny fizyk plazmowy Weixing Wang powiedział: „W głównym stanie perturbacji linie pola stają się całkowicie turbulentne, jak spaghetti i szybko łączą się ze ścianą.

„To sprowadza ogromną energię cieplną plazmy na ścianę”.

To, co wcześniej było nieznane, to tak zwana „struktura” – lub trójwymiarowy kształt – jaki przyjmują linie pola magnetycznego, gdy są zaburzone turbulentną niestabilnością plazmy fuzyjnej.

Naukowcy odkryli, że turbulentna topologia tworzy „małe wzgórza i doliny”. Te ostatnie zatrzymują cząstki plazmy, podczas gdy grzbiety pozwalają im „toczyć się” i oddziaływać na ściany otaczającego reaktora tokamaka.

Czytaj więcej: Wielka Brytania przygotowuje się do wyjścia Wielkiej Brytanii z Unii Europejskiej w celu wprowadzenia na rynek syntezy jądrowej z amerykańską umową

To, co utrudnia zrozumienie topologii, powiedział dr Yu, to złożona natura interakcji między polami elektrycznymi i magnetycznymi w reaktorze.

Doszedł do wniosku: „Te badania dostarczają nowych fizycznych wglądów w to, w jaki sposób plazma traci energię w kierunku ściany, gdy istnieją otwarte linie pola magnetycznego.

„Nowe zrozumienie będzie kluczowe dla znalezienia innowacyjnych sposobów łagodzenia lub unikania w przyszłości chłodzenia termicznego i zaburzeń plazmy”.

Pełne wyniki badania zostały opublikowane w czasopiśmie Fizyka plazmy.