Новый фундаментальный закон, открывающий ограничения термоядерной энергии

Физики из EPFL в рамках крупного европейского сотрудничества пересмотрели один из фундаментальных законов, который был установлен[{» attribute=»»>plasma and fusion research for over three decades, even governing the design of megaprojects like ITER. The update demonstrates that we can actually safely utilize more hydrogen fuel in fusion reactors, and therefore obtain more energy than previously thought.

Fusion is one of the most promising future energy sources . It involves two atomic nuclei merging into one, thereby releasing enormous amounts of energy. In fact, we experience fusion every day: the Sun’s warmth comes from hydrogen nuclei fusing into heavier helium atoms.

There is currently an international fusion research megaproject called ITER that seeks to replicate the fusion processes of the Sun to create energy on the Earth. Its goal is to generate high-temperature plasma that provides the right environment for fusion to occur, producing energy.

Plasmas — an ionized state of matter similar to a gas – are made up of positively charged nuclei and negatively charged electrons, and are almost a million times less dense than the air we breathe. Plasmas are created by subjecting “the fusion fuel” – hydrogen atoms – to extremely high temperatures (10 times that of the core of the Sun), forcing electrons to separate from their atomic nuclei. In a fusion reactor, the process takes place inside a donut-shaped (“toroidal”) structure called a “tokamak.”

The tokamak thermonuclear fusion reactor at Swiss Plasma Center. Credit: Alain Herzog (EPFL)

“In order to create plasma for fusion, you have to consider three things: high temperature, high density of hydrogen fuel, and good confinement,” says Paolo Ricci at the Swiss Plasma Center, one of the world’s leading research institutes in fusion located at École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL).

Working within a large European collaboration, Ricci’s team has now released a study updating a foundational principle of plasma generation – and showing that the upcoming ITER tokamak can actually operate with twice the amount of hydrogen and therefore generate more fusion energy than previously thought.

“One of the limitations in making plasma inside a tokamak is the amount of hydrogen fuel you can inject into it,” says Ricci. “Since the early days of fusion, we’ve known that if you try to increase the fuel density, at some point there would be what we call a ‘disruption’ – basically you totally lose the confinement, and plasma goes wherever. So in the eighties, people were trying to come up with some kind of law that could predict the maximum density of hydrogen that you can put inside a tokamak.”

Ответ пришел в 1988 году, когда исследователь термоядерного синтеза Мартин Гринвальд опубликовал знаменитый закон, связывающий плотность топлива с малым радиусом токамака (радиус внутренней окружности пончика) и током, протекающим в плазме внутри токамака. С тех пор «предел Гринвальда» стал фундаментальным принципом термоядерных исследований. Собственно, на этом и основана стратегия строительства токамаков ИТЭР.

Ричи поясняет: «Гринвальд выводит закон эмпирическим путем, и он основан исключительно на эмпирических данных, а не на проверенной теории или на том, что мы называем «первыми принципами». Однако в исследовании ограничение хорошо сработало. А в некоторых случаях, таких как DEMO (преемник ITER), это уравнение является большим ограничением для его работы, потому что оно говорит, что вы не можете увеличить плотность топлива выше определенного уровня».

Работая с командой токамаков, Швейцарский плазменный центр разработал эксперимент, в котором передовые технологии можно было использовать для точного контроля количества топлива, впрыскиваемого в токамак. Массовые испытания проводились на крупнейшем в мире токамаке, Объединенном европейском токамаке (JET) в Великобритании, а также на модернизации ASDEX в Германии (Институт Макса Планка) и на токамаке TCV EPFL. Эта крупная экспериментальная работа стала возможной благодаря консорциуму EUROfusion, европейской организации, координирующей исследования термоядерного синтеза в Европе и в которой сейчас участвует EPFL через Институт физики плазмы им. Макса Планка в Германии.

В то же время Маурицио Джакомене, докторант группы Риччи, начал анализировать физические процессы, ограничивающие плотность токамака, чтобы вывести закон элементарных принципов, который мог бы связать плотность топлива с объемом токамака. Часть этого включает в себя использование расширенного моделирования плазмы с использованием компьютерной модели.

«В симуляциях используются одни из самых больших компьютеров в мире, например, те, которые стали возможными благодаря CSCS, Швейцарскому национальному центру суперкомпьютеров и EUROfusion», — говорит Ричи. «И то, что мы обнаружили в ходе наших симуляций, заключается в том, что по мере того, как вы добавляете больше топлива в плазму, части ее перемещаются от внешнего холодного слоя токамака, границы, к его ядру, потому что плазма становится более турбулентной. электрические медные провода, которые становятся более стойкими при нагревании, плазма становится более стойкой при охлаждении, поэтому чем больше топлива вы положите в нее при той же температуре, части ее остывают — и тем труднее току течь в ней. плазмы, что может привести к турбулентности».

Это было сложной задачей для моделирования. «Турбулентность в жидкости на самом деле является наиболее важным открытым вопросом в классической физике», — говорит Ричи. «Но турбулентность в плазме более сложная, потому что у вас также есть электромагнитные поля».

В конце концов, Ритчи и его коллеги смогли взломать код и «ручкой на бумаге» вывести новое уравнение для максимального предела топлива в токамаке, которое хорошо согласуется с экспериментами. Опубликовано в журнале Письма о физическом обзоре 6 мая 2022 года он отдает должное границе Гринвальда, приближаясь к ней, но существенно модернизирует ее.

Новое уравнение предполагает, что предел Гринвальда может быть повышен примерно в два раза в пересчете на топливо в ИТЭР; Это означает, что токамаки, такие как ИТЭР, могут фактически использовать почти вдвое больше топлива для производства плазмы, не беспокоясь о турбулентности. «Это важно, потому что это показывает, что интенсивность, которую вы можете достичь в токамаке, увеличивается с мощностью, необходимой для его работы», — говорит Ричи. «На самом деле DEMO будет работать на гораздо более высокой мощности, чем нынешние токамаки и ИТЭР, а это означает, что вы можете увеличить плотность топлива без снижения мощности, в отличие от закона Гринвальда. И это очень хорошая новость».

Ссылка: «Измеритель предельной плотности токамака из первых принципов, основанный на турбулентном краевом переносе и его отражениях в ITER». Авторы: М. Джакомин, А. Пау, П. Риччи, О. Сотер, Т. Эйх, группа обновления ASDEX, акционеры JET и TCV. Команда, 6 мая 2022 г., Письма о физическом обзоре.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.185003

Список участников

• Швейцарский плазменный центр EPFL
• Институт Макса Планка по физике плазмы
• Команда EPFL TCV
• Команда обновления ASDEX
• Авторы JET

Финансирование: Консорциум EUROfusion (Программа исследований и обучения Евратома), Швейцарский национальный научный фонд (SNSF)