Преразгледан е един от фундаменталните закони, който е основополагащ за изследванията на плазмата и синтеза в продължение на повече от три десетилетия, дори управлява проектирането на мегапроекти като ITER.

Актуализацията показва, че всъщност можем безопасно да използваме повече водородно гориво в термоядрени реактори и следователно да получим повече енергия, отколкото се смяташе преди.

Ядреният синтез е един от най-обещаващите бъдещи енергийни източници - две атомни ядра, които се сливат в едно, като по този начин се освобождават огромни количества енергия. Всъщност ние използваме термоядрения синтез всеки ден: топлината на Слънцето идва от водородни ядра, които се сливат в по-тежки атоми на хелий.

Международният мегапроект за изследвания на синтеза, наречен ITER се стреми да възпроизведе процесите на синтез на Слънцето, за да създаде енергия на Земята. Целта му е да генерира високотемпературна плазма, която осигурява подходящата среда за осъществяване на синтез, произвеждайки енергия.

Плазмата – йонизирано състояние на материята, подобно на газ – е съставена от положително заредени ядра и отрицателно заредени електрони и е почти милион пъти по-малко плътна от въздуха, който дишаме.

Плазмата се създава като се подлага „горивото на синтеза“ – водородните атоми – на изключително високи температури (10 пъти по-високи от тази на ядрото на Слънцето), принуждавайки електроните да се отделят от атомните си ядра.

В термоядрен реактор процесът се извършва вътре в конституция с форма на поничка („тороидална форма“), наречена „токамак“ (тороидальная камера с магнитными катушками) .

Швейцарски плазмен център Токамак, термоядрен реакторТермоядрен синтезен реактор токамак в Swiss Plasma Center. Кредит: Alain Herzog (EPFL)

„За да се създаде плазма за синтез, трябва да се вземат предвид три неща: висока температура, висока плътност на водородното гориво и добро задържане“, разказва Паоло Ричи (Paolo Ricci) от Швейцарския плазмен център, един от водещите световни изследователски институти в областта на синтеза, разположен в École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL).

Работейки в рамките на голямо европейско сътрудничество, екипът на Ричи публикува проучване, актуализиращо основния принцип на генериране на плазма – и показващо, че предстоящият токамак ITER всъщност може да работи с два пъти по-голямо количество водород и следователно да генерира повече синтезна енергия, отколкото се смяташе преди.

„Едно от ограниченията при създаването на плазма в токамак е количеството водородно гориво, което може да се инжектира в него“, коментира Ричи. „Още от първите дни на синтеза, ние знаем, че ако се опита да се увеличи плътността на горивото, в един момент ще има това, което наричаме „дезинтеграция“ (disruption) – по същество напълно спира задържането и плазмата се разтича навсякъде. Така през осемдесетте години хората се опитваха да измислят някакъв закон, който да предскаже максималната плътност на водорода, която може да се постави в токамака."

Отговорът идва през 1988 г., когато изследователят на термоядрения синтез Мартин Гринуолд (Martin Greenwald) публикува закон, който свързва плътността на горивото с малкия радиус на токамака (радиуса на вътрешния кръг на поничката) и плазменият ток, който тече в плазмата вътре в токамака. Оттогава „границата на Гринуолд“ е основополагащ принцип на изследванията на термоядрения синтез, всъщност стратегията на ITER за изграждане на токамак се основава на него.

„Гринуолд извежда закона емпирично, което означава изцяло от експериментални данни – не е изпитана теория или нещо, което да наречм „първи принципи““, обяснява Ричи. „Все пак лимитът работи доста добре за изследвания. И в някои случаи, като DEMO (наследникът на ITER), това уравнение представлява голямо ограничение за тяхната работа, защото казва, че не може да се увеличи плътността на горивото над определено ниво.

Работейки с други екипи по токамака, Швейцарският плазмен център проектира експеримент, при който е възможно да се използва изключително сложна технология за прецизен контрол на количеството гориво, инжектирано в токамака. Мащабни експерименти са проведени в най-големите токамаци в света, Joint European Torus (JET) във Великобритания, както и в ASDEX Upgrade в Германия (Max Plank Institute) и собствения TCV токамак на EPFL. Тези мащабни експерименти стават възможни благодарение на консорциума EUROfusion, европейската организация, която координира изследванията на синтеза в Европа и в която EPFL участва чрез Института за физика на плазмата Макс Планк в Германия.

В същото време Маурицио Джакомин (Maurizio Giacomin), докторант в групата на Ричи, започва да анализира физическите процеси, които ограничават плътността в токамаците, за да изведе закон от първи принципи, който да може да свърже плътността на горивото и размера на токамака. Част от работата включва използването на усъвършенствана симулация на плазмата, извършена с компютърен модел.

„Симулациите използват някои от най-големите компютри в света, като тези, предоставени от CSCS, Швейцарския национален суперкомпютърен център и от EUROfusion“, разказва Ричи. „И това, което открихме чрез нашите симулации, бе, че когато се добавя повече гориво в плазмата, части от нея се движат от външния студен слой на токамака, от границата, обратно в неговото ядро, защото плазмата става по-турбулентна. Тогава, за разлика от електрическата медна жица, която става по-устойчива при нагряване, плазмата става по-устойчива, когато изстива. Така че, колкото повече гориво се постави в него при една и съща температура, толкова повече части от него се охлаждат – и толкова по-трудно е токът да тече в плазмата, което вероятно води до дезинтеграция.

Това не е лесно да се симулира.

„Турбулентността във флуидите всъщност е най-важният открит въпрос в класическата физика“, отбелязва Ричи. "Но турбулентността в плазмата е още по-сложна, защото има и електромагнитни полета."

В крайна сметка Ричи и колегите му успяват да изведат ново уравнение за ограничение на горивото в токамак, което се съгласува много добре с експериментите. Публикувано в списание Physical Review Letters на 6 май 2022 г., то съответства на границата на Гринуолд, като е близо до нея, но я актуализира значително.

Новото уравнение посочва, че границата на Гринуолд може да бъде увеличена почти два пъти по отношение на горивото в ITER. Това означава, че токамаците като ITER всъщност могат да използват почти два пъти повече гориво, за да произвеждат плазми без притеснения от прекъсвания.

„Това е важно, защото показва, че плътността, която може да се постигне в токамак, се увеличава с мощността, от която има нужда за управление“, разказва Ричи. „Всъщност DEMO ще работи с много по-висока мощност от настоящите токамаци и ITER, което означава, че може да се добави повече плътност на горивото, без да се ограничава получената енергия, за разлика от закона на Гринуолд. И това е много добра новина.”

M. Giacomin et al, First-Principles Density Limit Scaling in Tokamaks Based on Edge Turbulent Transport and Implications for ITER, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.185003

A new law unchains fusion energy - Ecole Polytechnique Federale de Lausanne