Model forudsiger scenarier for elproduktion ved hjælp af kernefusion

Nuklear fusion til kontrolleret og regelmæssig generering af elektrisk kraft ved at omdanne brint til helium og i lille skala reproducere, hvad der sker inden for stjerner, er et af de vigtigste teknologiske løfter i de kommende årtier. Indtil nu, kun begrænsede resultater er opnået i laboratorieforsøg. Nu, en prototypereaktor kaldet ITER er under opførelse i det sydlige Frankrig. Dens designkapacitet er på 500 megawatt, og planen er at gå live i 2025. Medlemmerne af ITER-konsortiet er Kina, den europæiske union, Indien, Japan, Rusland, Sydkorea og USA. Omkostningerne til megaprojektet forventes at overstige 20 milliarder euro.

ITER vil ikke opfange den energi, den producerer, som elektricitet, men det vil være den første tokamak, der producerer nettoenergi, dvs. mere strøm end mængden af ​​termisk energi, der injiceres for at opvarme plasmaet. Det vil gøre det muligt for forskere at lære mere om håndtering af de mange tekniske kompleksiteter af kernefusion, baner vejen for maskiner, der bruger det til at levere strøm til nettet. Udtrykket tokamak kommer fra det russiske akronym for et toroidformet kammer med magnetspoler.

Det vil være afgørende at sikre, at kernefusionsprocessen kan blive selvbærende og at forhindre tab af energi via elektromagnetisk stråling og alfapartikler, da disse tab ville gøre det muligt for reaktoren at køle af. Eksperimentelle resultater observeret i løbet af de sidste 20 år har vist, at den måde, hvorpå hurtige ioner (inklusive alfapartikler) udstødes fra plasmaet, varierer meget fra den ene tokamak til den anden. Indtil for nylig, ingen forstod, hvilke eksperimentelle forhold, der bestemte denne adfærd.

Problemet er nu blevet belyst af Vinícius Njaim Duarte, en ung brasiliansk forsker. Duarte er i øjeblikket engageret i postdoktoral forskning ved Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) i USA. Han er hovedforfatter af artiklen, med titlen "Teori og observation af begyndelsen af ​​ikke-lineære strukturer på grund af egenmode destabilisering af hurtige ioner i tokamaks, " offentliggjort i Journal Physics of Plasmas .

Duartes forskning vakte så meget opmærksomhed, at forskere ved den største amerikanske tokamak, DIII-D, udførte eksperimenter for at teste den model, han foreslog. Resultaterne bekræftede modellens forudsigelser.

Fysiker Ricardo Magnus Osório Galvão sagde:"Elektromagnetiske bølger exciteret af hurtige partikler i tokamaks kan vise pludselige variationer i frekvens, kendt som kvidren. Ingen forstod, hvorfor dette skete på nogle maskiner og ikke i andre. Brug af kompleks numerisk modellering og eksperimentelle data, Duarte viste, at om kvidren forekommer eller ej - og dermed arten af ​​partikel- og energitab - afhænger af turbulensniveauet i plasmaet, der er indespærret i tokamak. Nukleare fusionsreaktioner finder sted i dette plasma. Kvidren opstår, hvis det ikke er meget turbulent. Med voldsom turbulens, der er ingen kvidren."

Nuklear fusion er forskellig fra nuklear fission, den proces, der bruges i verdens eksisterende atomkraftværker. Ved fission, atomkerner af tunge grundstoffer såsom uran 235 opdelt i kerner af lettere grundstoffer - krypton og barium, I dette tilfælde. Denne fission frigiver energi, elektromagnetisk stråling, og neutroner, der igen deler sig i en kædereaktion, der holder processen i gang.

I nuklear fusion, atomkernerne af lettere grundstoffer såsom brintisotoperne deuterium (en proton og en neutron) og tritium (en proton og to neutroner) smelter sammen og danner kerner af tungere grundstoffer - i dette tilfælde, helium (to protoner og to neutroner) - og frigiver energi.

"For at nuklear fusion skal være mulig, det er nødvendigt at overvinde den elektrostatiske frastødning mellem positive ioner, " Galvão forklarede. "Dette sker kun, hvis plasmaet dannet af kernerne i de lette elementer opvarmes til ekstremt høje temperaturer, i størrelsesordenen ti til hundreder af millioner af grader Celsius."

Hos ITER, for eksempel, 840 kubikmeter plasma opvarmes til 150 millioner grader Celsius, over ti gange temperaturen af ​​solens kerne. "Ved den slags temperatur, du når energi break-even. Den energi, der frigives ved fusionsreaktionerne, er tilstrækkelig til at svare til den energi, der kræves for at opvarme plasmaet, " sagde Galvão.

Processen foregår i det toroidale kammer inde i tokamak. En torus er formet som en doughnut. Det faste stof, som overfladen indeholder, er kendt som en toroid.

Nuklear fusionsprocessen udvikler sig som følger:Et vakuum produceres i kammeret, som så fyldes med gas. En elektrisk udladning ioniserer gassen, som opvarmes af højfrekvente radiobølger. Et elektrisk felt induceret i det toroidale kammer udsætter gassen for en ekstremt intens strøm (ca. 1 million ampere, i tilfælde af DIII-D), som opvarmer gassen yderligere via Joule-effekten. Stadig mere energi injiceres af elektromagnetiske bølger, indtil den temperatur, der kræves for at udløse kernefusion, er nået. Selv en lille tokamak, som den, der er installeret på universitetet i São Paulo, når temperaturer i størrelsesordenen 100 millioner grader.

"Ved disse ekstremt høje temperaturer, ionerne vibrerer så kraftigt, at de kolliderer og overvinder elektrostatisk frastødning, " sagde Galvão. "Et kraftigt magnetfelt begrænser plasmastrømmen og holder den væk fra fartøjets vægge. De stærkt energifyldte alfapartikler [heliumkerner] kolliderer med andre partikler i plasmaet, holde det varmt og opretholde fusionsreaktionen."

En analogi foreslået af Galvão ville være et bål lavet med fugtigt træ, som ikke let antændes i starten, men som blusser op til sidst, efter at en vis temperatur er nået, og den stadigt mere stabile forbrænding producerer nok energi til at overvinde fugtigheden. Plasma når antændelsespunktet, når alfapartikler konsekvent begynder at strømme tilbage i processen.

Blandt fusions mange fordele frem for fission er det faktum, at fusion involverer en selvkontrolmekanisme:Når først antændelsespunktet er nået, hvis dette temperaturniveau overskrides væsentligt – med andre ord, hvis plasmaet overophedes - bremses reaktionen automatisk. Dermed, reaktor nedsmeltning, en af ​​de farligste komplikationer ved ulykker i kraftværker, der anvender nuklear fission, ikke kunne ske i et nuklear fusionsanlæg.

Problemet er, at resonansinteraktion mellem alfapartikler og bølger, der er til stede i plasmaet, kan excitere elektromagnetiske oscillationer, eller endda føre til udstødning af alfapartikler. Dette kan forårsage energitab, plasmakøling og mulig afbrydelse af nuklear fusion. At forstå årsagerne til dette problem og de faktorer, der kan forhindre det, er grundlæggende for at sikre processens bæredygtighed og brugen af ​​nuklear fusion som en levedygtig kilde til elektricitet.

"Det, Duarte fandt, er, at dette resultat sker på en selvorganiseret måde, med produktion af kvidren, hvis plasmaet ikke er meget turbulent. Hvis turbulensen er høj, imidlertid, det gør det ikke, " sagde Galvão [se nedenfor for et interview med Vinícius Njaim Duarte].

Problemets kerne er, at i en meget turbulent væske, der er ingen præferenceretning, Galvão forklarede, tilbyder en anden analogi for at hjælpe med at illustrere hans betydning.

"Når du opvarmer vandet langsomt, du opretter en konvektionscelle i beholderen. Varmt vand stiger, og koldt vand synker. Dette fortsætter indtil alt vandet når kogepunktet, sagde han. Mediet bliver så turbulent, konvektionscellen er ødelagt, og energien spredes vilkårligt i alle retninger. Dette sker også i magnetisk begrænset plasma. Dets forekomst forhindrer skabelsen af ​​et selvorganiseret system, der opretholder en uønsket associeret elektromagnetisk bølge. Der er ikke sammenhæng nok til, at bølger kan genereres. Så tabet af energi, der ville afslutte fusionsprocessen, forekommer ikke.

"Duarte havde allerede udgivet et papir om denne model under sin ph.d.-forskning, men ingen havde udført et eksperiment for at kontrollere turbulensniveauet og se, om modellen gjaldt eller ej. Dette er nu blevet udført af General Atomics på DIII-D, specifikt for at teste modellen, hvilket blev bevist af resultatet."

Eksperimentelle fysikere vidste allerede empirisk hvordan man fremkalder højere eller lavere turbulens, men de vidste ikke, at dette ville påvirke den spektrale natur af bølger forbundet med partikelstrukturen. Duartes bidrag består i at identificere nøglekontrolmekanismen og forklare hvorfor. Med hensyn til teknologiske anvendelser, dette etablerer optimal turbulens - nok til at forhindre selvorganiseret partikel- og energitab, men ikke nok til at have andre uønskede virkninger på den samlede plasmaindeslutning.

Indtil nu, tokamaks er blevet brugt på laboratorieskalaen. ITER bliver den første prototype af en tokamak, der er i stand til at generere elektricitet effektivt ved atomfusion. Brugen af ​​kontrolleret nuklear fusion er ikke ukontroversiel, men ifølge dets fortalere, det er sikkert, kan producere en praktisk talt ubegrænset mængde strøm, og danner ikke radioaktivt affald, ligesom fissionsreaktorer.