En ny lov frigør fusionsenergi

Fysikere ved EPFL har inden for et stort europæisk samarbejde revideret en af ​​de fundamentale love, der har været grundlaget for plasma- og fusionsforskning i over tre årtier, selv om designet af megaprojekter som ITER. Opdateringen viser, at vi faktisk trygt kan bruge mere brintbrændsel i fusionsreaktorer, og derfor få mere energi end tidligere antaget.

Fusion er en af ​​de mest lovende kilder til fremtidig energi. Det involverer to atomkerner, der kombineres til én, og derved frigiver enorme mængder energi. Faktisk oplever vi fusion hver dag:Solens varme kommer fra brintkerner, der smelter sammen til tungere heliumatomer.

Der er i øjeblikket et internationalt fusionsforsknings-megaprojekt kaldet ITER, som har til formål at replikere solens fusionsprocesser for at skabe energi på Jorden. Dets mål er at skabe højtemperaturplasma, der giver det rette miljø for fusion, der producerer energi.

Plasmaer - en ioniseret stoftilstand, der ligner en gas - består af positivt ladede kerner og negativt ladede elektroner og er næsten en million gange mindre tæt end den luft, vi indånder. Plasmaer skabes ved at udsætte "fusionsbrændstoffet" - brintatomer - for ekstremt høje temperaturer (10 gange solens kerne), hvilket tvinger elektroner til at adskilles fra deres atomkerner. Processen foregår inde i en donut-formet ("toroidal") struktur kaldet en "tokamak."

"For at skabe plasma til fusion skal du overveje tre ting:høj temperatur, høj densitet af brintbrændstof og god indeslutning," siger Paolo Ricci ved Swiss Plasma Center, et af verdens førende forskningsinstitutter inden for fusion, som ligger kl. EPFL.

I samarbejde med et stort europæisk samarbejde har Riccis team nu udgivet en undersøgelse, der opdaterer et grundlæggende princip for plasmagenerering – og viser, at den kommende ITER-tokamak faktisk kan fungere med dobbelt så meget brint og derfor generere mere fusionsenergi end tidligere antaget.

"En af begrænsningerne ved at lave plasma inde i en tokamak er mængden af ​​brintbrændstof, du kan sprøjte ind i den," siger Ricci. "Siden fusionens tidlige dage har vi vidst, at hvis du forsøger at øge brændstoftætheden, ville der på et tidspunkt være, hvad vi kalder en 'forstyrrelse' - dybest set mister du fuldstændig indespærringen, og plasma går overalt. Så i i firserne, forsøgte folk at finde på en form for lov, der kunne forudsige den maksimale densitet af brint, som du kan anbringe i en tokamak."

Et svar kom i 1988, da fusionsforskeren Martin Greenwald offentliggjorde en berømt lov, der korrelerer brændstoftætheden til tokamakens mindre radius (radius af donutens inderste cirkel) og strømmen, der flyder i plasmaet inde i tokamak. Lige siden da har "Greenwald-grænsen" været et grundlæggende princip for fusionsforskning; faktisk er ITER's tokamak-bygningsstrategi baseret på det.

"Greenwald udledte loven empirisk, det er fuldstændig fra eksperimentelle data - ikke en testet teori, eller hvad vi ville kalde 'første principper'," forklarer Ricci. "Alligevel fungerede grænsen ret godt for forskning. Og i nogle tilfælde, som DEMO (ITER's efterfølger), udgør denne ligning en stor grænse for deres drift, fordi den siger, at du ikke kan øge brændstoftætheden over et vist niveau."

I samarbejde med andre tokamak-teams designede Swiss Plasma Center et eksperiment, hvor det var muligt at bruge meget sofistikeret teknologi til præcist at kontrollere mængden af ​​brændstof, der blev sprøjtet ind i en tokamak. De massive eksperimenter blev udført på verdens største tokamaks, Joint European Torus (JET) i Storbritannien, samt ASDEX Upgrade i Tyskland (Max Plank Institute) og EPFLs egen TCV tokamak. Denne store eksperimentelle indsats blev muliggjort af EUROfusion Consortium, den europæiske organisation, der koordinerer fusionsforskning i Europa, og som EPFL nu deltager i gennem Max Planck Institute for Plasma Physics i Tyskland.

Samtidig har Maurizio Giacomin, en ph.d. studerende i Ricci's gruppe, begyndte at analysere de fysikprocesser, der begrænser tætheden i tokamaks, for at udlede en første-princippet lov, der kan korrelere brændstoftæthed og tokamak størrelse. En del af det involverede dog at bruge avanceret simulering af plasmaet udført med en computermodel.

"Simuleringerne udnytter nogle af de største computere i verden, såsom dem, der stilles til rådighed af CSCS, Swiss National Supercomputing Center og EUROfusion," siger Ricci. "Og det, vi fandt, gennem vores simuleringer, var, at når du tilføjer mere brændstof til plasmaet, bevæger dele af det sig fra det ydre kolde lag af tokamak, grænsen, tilbage til dets kerne, fordi plasmaet bliver mere turbulent. I modsætning til en elektrisk kobbertråd, som bliver mere modstandsdygtig, når den opvarmes, bliver plasmaer mere modstandsdygtige, når de afkøles. Så jo mere brændstof du putter i det ved samme temperatur, jo flere dele af det afkøles – og jo sværere er det for strøm at flyde i plasmaet, hvilket muligvis fører til en forstyrrelse."

Dette var udfordrende at simulere. "Turbulens i en væske er faktisk det vigtigste åbne spørgsmål i klassisk fysik," siger Ricci. "Men turbulens i et plasma er endnu mere kompliceret, fordi du også har elektromagnetiske felter."

I sidste ende var Ricci og hans kolleger i stand til at knække koden og sætte "pen til papir" for at udlede en ny ligning for brændstofgrænsen i en tokamak, som passer meget godt med eksperimenter. Udgivet i Physical Review Letters , den yder retfærdighed til Greenwalds grænse ved at være tæt på den, men opdaterer den på væsentlige måder.

Den nye ligning antyder, at Greenwald-grænsen kan hæves næsten det dobbelte med hensyn til brændstof i ITER; det betyder, at tokamaks som ITER faktisk kan bruge næsten dobbelt så meget brændstof til at producere plasma uden bekymringer om forstyrrelser. "Dette er vigtigt, fordi det viser, at den tæthed, du kan opnå i en tokamak, stiger med den kraft, du har brug for for at køre den," siger Ricci. "Faktisk vil DEMO operere med en meget højere effekt end nuværende tokamaks og ITER, hvilket betyder, at du kan tilføje mere brændstoftæthed uden at begrænse outputtet, i modsætning til Greenwald-loven. Og det er meget gode nyheder." + Udforsk yderligere

Mod fusionsenergi modellerer teamet plasma-turbulens på landets hurtigste supercomputer