Nowe badania z zakresu fizyki odblokowują postęp energetyki syntezy jądrowej

Naukowcy z EPFL w Lozannie w Szwajcarii, skupieni w Swiss Plasma Center, niedawno: „przepisali na nowo” podstawowe prawo dotyczące fizyki plazmy w systemach fuzji, ujawniając, że więcej wodoru może być bezpiecznie wykorzystywane w reaktorach termojądrowych, co może skutkować zwiększoną produkcją energii.

Fizyka syntezy jądrowej jest pełna doskonałych możliwości. W ramach ogólnoeuropejskiej współpracy, fizycy z EPFL dokonali przeglądu jednego z fundamentalnych praw, które od ponad trzech dekad leżą u podstaw doświadczeń nad plazmą i syntezą termojądrową, regulując nawet projektowanie wielkich instalacji, takich jak np. reaktor badawczy ITER. Nowe odkrycie natury fizycznej i matematycznej jest w pełni empiryczne; pokazuje, w jaki sposób dodatkowy wodór w mieszance można bezpiecznie wykorzystać w reaktorach termojądrowych w celu zwiększenia ilości produkowanych zasobów.

Biorąc pod uwagę ambitne cele w zakresie zmian klimatycznych, dużo uwagi zwraca się na czyste źródła energii. Ma to pozwolić osiągnąć zieloną transformację. Z drugiej strony, inwestowanie wyłącznie w odnawialne źródła energii może nie wystarczyć do zapewnienia ekonomicznie niezawodnych i bezpiecznych dostaw zasobów. Nie ma wątpliwości, że fuzja jest świętym Graalem energetyki. Minie wiele lat, zanim energia słoneczna i jej magazynowanie będą mogły samodzielnie napędzać rewolucję energetyczną, której mamy doświadczyć.

Fuzja atomowa polega na połączeniu się dwóch jąder w jedno, uwalniając w ten sposób ogromne ilości energii. Codziennie doświadczamy tego przy cieple słońca. Obecnie jest kilka projektów, które są w tym zakresie rozwijane na całym świecie. Jednym z nich jest doświadczalna instalacja skonstruowana w ramach ITER. Celem tego projektu jest stworzenie plazmy wysokotemperaturowej, która ma zapewnić odpowiednie środowisko do fuzji, a tym samym do produkcji energii. Plazma, która przypomina gaz składa się z dodatnio naładowanych jąder i ujemnych elektronów. Ma ona około milion razy mniejszą gęstość niż powietrze, którym oddychamy. Plazmę tworzy się przez poddanie: „paliwa fuzyjnego” — atomów wodoru — działaniu ekstremalnie wysokich temperatur (10 razy wyższych od temperatury jądra Słońca), zmuszając elektrony do oddzielenia się od ich jąder atomowych. Proces odbywa się wewnątrz struktury w kształcie pączka (donuta), w danym ujęciu: „toroidalnej” zwanej: „tokamakiem” (istnieją inne proponowane formy geometryczne reaktorów fuzyjnych, jednakże te wydają się najbardziej obiecujące i najpopularniejsze).



„Bijącym sercem” tego rodzaju instalacji jest komora próżniowa tokamaka w formie pączka. Gdy gazowe paliwo wodorowe jest wystawione na działanie wysokich temperatur zamienia się w plazmę. Plazma oferuje środowisko, w którym lekkie składniki mieszają się i są zdolne wytwarzać energię na drodze fuzji. Naładowane cząstki są kształtowane przez silne cewki magnetyczne. Te trzymają podgrzaną plazmę z dala od ścian urządzenia, jednocześnie utrzymując jej gęstość na tak dużym poziomie, aby cząstki mogły się ze sobą łączyć. Gdy się ładują i zderzają, zaczyna się proces nagrzewania. Temperatury syntezy (od 150 do 300 milionów °C) można już osiągnąć dzięki obecnym technologiom. Aby utrzymać plazmę z daleka od ścianek używa się cewki pola toroidalnego. A aby zachować jej kształt i stabilność, ITER wykorzystuje magnesy nadprzewodzące w postaci cewek pola poloidalnego.

Nowa teoria

Według ekspertów z EPFL, podczas wytwarzania plazmy do fuzji należy wziąć pod uwagę trzy podstawowe aspekty: wysoką temperaturę i gęstość wodoru oraz skuteczne utrzymywanie plazmy z dala od ścian. Paolo Ricci ze Swiss Plasma Center odkrył, że planowany tokamak ITER może działać z dwukrotnie większą ilością wodoru, a tym samym wytwarzać więcej energii termojądrowej niż wcześniej sądzono. Jednym z ograniczeń w tworzeniu plazmy w tokamaku jest ilość dostępnego wodoru. Zdaniem ekspertów, jeśli doda się więcej paliwa, nastąpi tak zwana: „perturbacja”, która może spowodować utratę stabilności, uwięzienia plazmy w polu magnetycznym reaktora.

Prowadzono rozmaite badania, aby oszacować maksymalną gęstość wodoru, jaką można wykorzystać. Martin Greenwald przedstawił równanie łączące gęstość paliwa z najmniejszym promieniem tokamaka (promień wewnętrznego okręgu donuta) i prądem płynącym w plazmie. Wyprowadzona empirycznie: „Granica Greenwalda”, na której opierają się założenia reaktora ITER, jest od czasu publikacji podstawową zasadą badań nad syntezą jądrową.

Swiss Plasma Center, we współpracy z innymi zespołami badawczymi, zaplanowało eksperyment, aby dokładniej zarządzać ilością paliwa pompowanego do tokamaka. Nawiązano kilka ważnych partnerstw, w tym z Joint European Torus w Wielkiej Brytanii i ASDEX Upgrade w Niemczech (koordynowane przez Instytut Maxa Planka). Na podstawie analizy danych i powiązanych procesów oraz symulacji komputerowej z modelem matematycznym opracowano zasadę, która może powiązać gęstość paliwa z rozmiarem tokamaka. Zdaniem naukowców symulacje wyjaśniają, że gdy do plazmy doda się więcej paliwa wodorowego, jego część przemieszcza się z zimnej zewnętrznej warstwy tokamaka (granicy) do jego jądra. Jako że plazma staje się bardziej turbulentna. Wychodzi na to, że w przeciwieństwie do drutu miedzianego wykorzystywanego do przewodzenia prądu, który okazuje się mocniejszy po podgrzaniu, plazma staje się silniejsza po ostygnięciu. Dlatego im więcej paliwa wlewa się w tej samej temperaturze, tym większa część plazmy ochładza się i tym trudniej jest przepływać przez nią energii elektrycznej, co może prowadzić do przerwania obwodu. Wyniki dały początek nowemu równaniu na limit paliwa w tokamaku, które bardzo dobrze koreluje z eksperymentem. Badanie zostało opublikowane w: „Physical Review Letters”. Z równania wynika, że granicę Greenwalda można zwiększyć. Oznacza to również, że ITER może zużywać prawie dwa razy więcej paliwa do produkcji plazmy, nie martwiąc się o przestoje, co powinno przełożyć się na podobne zwielokrotnienie ilości generowanej energii.

Źródło: https://www.eetimes.com/new-physics-research-unlocks-fusion-energy/