Перегляд межі Грінвальда вивільняє енергію термоядерного синтезу

Фізики з EPFL в рамках великої європейської співпраці переглянули один з фундаментальних законів, який лежав в основі досліджень плазми і термоядерного синтезу протягом більше трьох десятиліть, навіть керуючи проектуванням таких проектів, як ІТЕР. Оновлення показує, що можна безпечно використовувати більше водневого палива в термоядерних реакторах і, отже, отримувати більше енергії, ніж вважалося раніше.

Термоядерний синтез - одне з найбільш багатообіцяючих джерел енергії майбутнього. У ньому два атомні ядра об'єднуються в одне, тим самим вивільняючи величезну кількість енергії.

В даний час існує міжнародний проект з дослідження термоядерного синтезу під назвою ІТЕР, метою якого є відтворення процесів термоядерного синтезу на Сонці для вироблення енергії на Землі. Його метою є створення високотемпáної плазми, яка забезпечує відповідне середовище для термоядерного синтезу, що виробляє енергію.

Плазма - іонізований стан речовини, схожий на газ, - складається з позитивно заряджених ядер і негативно заряджених електронів і майже в мільйон разів менш щільна, ніж повітря, яким ми дихаємо. Плазму створюють, піддаючи «термоядерне паливо» - атоми водню - надзвичайно високим температурам (в 10 разів вище, ніж в ядрі Сонця), змушуючи електрони відокремлюватися від своїх атомних ядер. Процес відбувається всередині кільцеподібної («тороїдальної») конструкції, званої «токамак».

"Щоб створити плазму для термоядерного синтезу, ви повинні враховувати три речі: високу температуру, високу щільність водневого палива і хороше утримання ", - говорить Паоло Річчі зі Швейцарського центру плазми, одного з провідних світових науково-дослідних інститутів в області термоядерного синтезу.

Працюючи в рамках великої європейської співпраці, команда Паоло Річчі випустила дослідження, що оновлює фундаментальний принцип генерації плазми і показує, що майбутній токамак ІТЕР може фактично працювати з удвічі більшою кількістю водню і, отже, генерувати більше енергії, ніж вважалося раніше.

«Одним з обмежень при створенні плазми всередині токамаку є кількість водневого палива, яке ви можете ввести в нього», - говорить Річчі. "З перших днів термоядерного синтезу ми знали, що якщо ви спробуєте збільшити щільність палива, в якийсь момент станеться те, що ми називаємо" руйнуванням "- ви повністю втратите обмеження, і плазма піде куди завгодно. У вісімдесяті люди намагалися придумати якийсь закон, який міг би передбачити максимальну щільність водню, яку можна помістити всередину токамаку ".

Відповідь прийшла 1988 року, коли дослідник термоядерного синтезу Мартін Грінвальд опублікував знаменитий закон, що пов'язує щільність палива з малим радіусом токамаку (радіусом внутрішньої окружності) і струмом, що протікає в плазмі всередині токамака. Відтоді «межа Грінвальда» стала основоположним принципом досліджень термоядерного синтезу; фактично на цьому заснована стратегія будівництва токамаків ІТЕР.

"Грінвальд вивів закон емпірично, тобто повністю з експериментальних даних, а не з перевіреної теорії або того, що ми б назвали" першими принципами ", - пояснює Річчі. "Тим не менш, межа працювала досить добре для досліджень. І, в деяких випадках, як DEMO (майбутній наступник ІТЕР), це рівняння являє собою велику межу для їх роботи, тому що воно говорить, що ви не можете збільшити щільність палива вище певного рівня ".

Швейцарський плазмовий центр розробив експеримент, в якому можна було використовувати дуже складну технологію для точного контролю кількості палива, що впорскується в токамак.

Масові експерименти проводилися на найбільших в світі токамаках, Об'єднаному європейському торі (JET) у Великобританії, а також на установці ASDEX Upgrade в Німеччині (Інститут Макса Планка) і власному токамаці TCV EPFL.

Водночас вчені почали аналізувати фізичні процеси, що обмежують щільність у токамаках, щоб вивести закон з перших принципів, який може корелювати щільність палива і розмір токамаку. Частково це пов'язано з використанням розширеного моделювання плазми, виконаного за допомогою комп'ютерної моделі.

«Моделювання використовує одні з найбільших комп'ютерів у світі, наприклад, надані CSCS, Швейцарським національним суперкомп'ютерним центром і EUROfusion», - говорить Паоло Річчі. "І те, що ми виявили в ході наших симуляцій, полягало в тому, що в міру того, як ви додаєте більше палива в плазму, частини її переміщуються із зовнішнього холодного шару токамака назад в його ядро, тому що плазма стає більш турбулентною. Потім, на відміну від електричного мідного проводу, який стає більш стійким при нагріванні, плазма стає більш стійкою при охолодженні, тому, чим більше палива ви додасте в неї при тій же температурі, тим більше її частин охолоне - і тим важче те, щоб в плазмі протікав струм, що може призвести до руйнування ".

Це було складно змоделювати. «Турбулентність у рідині насправді є найбільш важливим відкритим питанням у класичній фізиці», - говорить Річчі. «Але турбулентність у плазмі ще складніша, тому що у вас також є електромагнітні поля».

Зрештою, вчені змогли вивести нове рівняння для межі палива в токамаці, яке дуже добре узгоджується з експериментами.

Опубліковане в журналі Physical Review Letters, воно відповідає межі Грінвальда, будучи близьким до нього, але значно оновлює його.

Нове рівняння стверджує, що межа Грінвальда може бути збільшена майже вдвічі з точки зору палива в ІТЕР; це означає, що токамаки, такі як ІТЕР, можуть фактично використовувати майже вдвічі більше палива для виробництва плазми, не турбуючись про збої.

«Це важливо, тому що показує, що щільність токамака збільшується зі збільшенням потужності, необхідної для його роботи», - говорить Річчі. "Насправді DEMO буде працювати на набагато вищій потужності, ніж нинішні токамаки та ІТЕР, а це означає, що ви можете збільшити щільність палива, не обмежуючи потужність, на відміну від закону Грінвальда. І це дуже хороша новина ".