Fuzja jądrowa “wymyślona” na nowo. Naukowcy ulepszyli podstawowe prawo fizyki

Fuzja jądrowa może być podstawowym źródłem energii przyszłości. Szwajcarscy naukowcy zrewidowali jedno z podstawowych praw fizyki, co może znacznie przyspieszyć postępy w tej dziedzinie.
Limit Greenwalda determinujący działanie tokamaków może zostać podniesiony
Limit Greenwalda determinujący działanie tokamaków może zostać podniesiony

Naukowcy z Politechniki Federalnej w Lozannie (EPFL) zweryfikowali jedno z podstawowych praw, które przez ponad 30 lat było podstawą badań nad plazmą i fuzją jądrową. Nowe ustalenia mówią, że w reaktorach termojądrowych można bezpiecznie używać więcej paliwa wodorowego, a więc tym samym uzyskać więcej energii.

Fuzja jądrowa jest jednym z najbardziej obiecujących źródeł energii w przyszłości. Polega ona na połączeniu się dwóch jąder atomowych w jedno, co uwalnia ogromne ilości energii. Z fuzją mamy do czynienia na co dzień: ciepło Słońca pochodzi z fuzji jąder wodoru w cięższe atomy helu.

Czytaj też: Fuzja jądrowa – pięć faktów, które warto znać

Międzynarodowy projekt badawczy ITER, którego celem jest odtworzenie procesów syntezy jądrowej zachodzących w Słońcu, ma na celu wytworzenie gorącej plazmy, która zapewni odpowiednie środowisko dla fuzji jądrowej, a więc i produkcji materii.

Aby wytworzyć plazmę na potrzeby fuzji jądrowej, trzeba wziąć pod uwagę trzy rzeczy: wysoką temperaturę, dużą gęstość paliwa wodorowego i dobre zamknięcie.Paolo Ricci z EPFL

Podstawowe prawa fuzji

Zespół Ricciego opublikował badania, które uaktualnia podstawową zasadę wytwarzania plazmy i pokazuje, że tokamak ITER może pracować z dwukrotnie większą ilością wodoru, a tym samym generować więcej energii z fuzji jądrowej. Znacznie więcej, niż do tej pory sądzono.

Jednym z ograniczeń w wytwarzaniu plazmy w tokamaku jest ilość paliwa wodorowego, jaką można do niego wtłoczyć. Od początku badań nad fuzją wiedzieliśmy, że jeśli spróbuje się zwiększyć gęstość paliwa, w pewnym momencie dojdzie do czegoś, co nazywamy “zaburzeniem” – w zasadzie całkowicie traci się ograniczenie i plazma rozchodzi się gdziekolwiek. Dlatego w latach osiemdziesiątych próbowano opracować jakieś prawo, które pozwoliłoby przewidzieć maksymalną gęstość wodoru, jaką można umieścić w tokamaku.Paolo Ricci

W 1988 r. Martin Greenwald zajmujący się fuzją jądrową opublikował słynne prawo, które koreluje gęstość paliwa z promieniem mniejszym tokamaka (wewnętrznym) oraz prądem płynącym w plazmie w jego wnętrzu. Tzw. limit Greenwalda stał się fundamentalną zasadą badań nad fuzją jądrową – na niej opiera się mechanizm działania ITER-a.

Greenwald wyprowadził to prawo empirycznie, całkowicie na podstawie danych doświadczalnych – nie jest to sprawdzona teoria, ani coś, co nazywamy “pierwszą zasadą”. Mimo to limit ten sprawdził się w badaniach. A w niektórych przypadkach, takich jak DEMO (następca ITER-a), równanie to stanowi poważne ograniczenie dla ich działania, ponieważ mówi, że nie można zwiększyć gęstości paliwa powyżej pewnego poziomu.Paolo Ricci

Naukowcy przeanalizowali procesy fizyczne ograniczające gęstość w tokamakach, co pozwoliłoby skorelować gęstość paliwa z wielkością tokamaka. W tym celu zastosowano zaawansowane symulacje plazmy przeprowadzone za pomocą modelu komputerowego.

W symulacjach wykorzystano jedne z największych komputerów na świecie, takie jak te udostępnione przez CSCS (Swiss National Supercomputing Center) oraz przez EUROfusion. W wyniku symulacji stwierdziliśmy, że w miarę zwiększania ilości paliwa w plazmie, jej części przemieszczają się z zewnętrznej zimnej warstwy tokamaka, czyli granicy, z powrotem do jego rdzenia, ponieważ plazma staje się bardziej turbulentna. W przeciwieństwie do elektrycznego drutu miedzianego, który staje się bardziej wytrzymały po podgrzaniu, plazma staje się bardziej wytrzymała po ochłodzeniu. Zatem im więcej paliwa wprowadza się do niej w tej samej temperaturze, tym bardziej jej części się ochładzają – i tym trudniej jest płynąć w plazmie, co może prowadzić do zakłóceń.Paolo Ricci

Wykazano, że limit Greenwalda może zostać podniesiony prawie dwukrotnie w odniesieniu do ilości paliwa w ITERze. Oznacza to, że tokamaki takie jak ITER mogą w rzeczywistości używać prawie dwukrotnie większej ilości paliwa do wytwarzania plazmy bez obaw o zakłócenia.