Fizycy z Princeton znaleźli oszczędniejszą drogę do zapłonu fuzji jądrowej

Synteza termojądrowa od lat kusi naukowców i inwestorów wizją czystej energii na wzór procesów zachodzących we wnętrzu Słońca. Elektrownie oparte na tym zjawisku mogłyby produkować prąd bez spalania węgla, gazu czy ropy. Kłopot w tym, że odwzorowanie warunków panujących w gwieździe na Ziemi to zadanie karkołomne – paliwo trzeba rozgrzać do ogromnych temperatur, utrzymać przy odpowiedniej gęstości i nie dopuścić do ucieczki energii.

Od ponad siedemdziesięciu lat badacze posługują się jednym matematycznym narzędziem, które mówi, czy plazma zdoła utrzymać odpowiednią temperaturę i gęstość na tyle długo, by fuzja podtrzymywała się sama, bez dodatkowego podgrzewania. Mowa o kryterium Lawsona – ono określa warunki konieczne do zapłonu, ale nie podpowiada, jaka droga do niego prowadzi najefektywniej.

Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono i Jonathan Menard z Princeton Plasma Physics Laboratory rozwinęli to klasyczne kryterium, dodając do niego cztery nowe zmienne wpływające na skuteczność syntezy. Dzięki temu udało im się wyznaczyć ścieżkę do zapłonu, która teoretycznie pochłania znacznie mniej energii niż metody stosowane dotychczas. Rezultaty tych prac trafiły na łamy Physical Review Letters.

W centrum badań znajduje się plazma – często określana czwartym stanem skupienia materii. Powstaje ona, gdy gaz zostaje poddany działaniu ogromnej ilości energii, na przykład bardzo wysokiej temperatury lub silnego pola elektrycznego, co prowadzi do oderwania elektronów od atomów i jonizacji substancji.

W reaktorach fuzyjnych ten rozgrzany do ekstremów ośrodek zawiera jądra atomowe, które badacze chcą połączyć ze sobą, uwalniając w ten sposób energię – dokładnie tak, jak dzieje się to w naszej gwieździe.

Celem ostatecznym jest doprowadzenie plazmy do stanu, w którym reakcje syntezy same generują wystarczającą ilość ciepła, eliminując potrzebę zewnętrznego podgrzewania. Osiągnięcie tego punktu pozostaje jednym z najtrudniejszych wyzwań całej dziedziny.

Droga na drugą stronę góry

Delgado-Aparicio przyrównuje swoje odkrycie do znalezienia łatwiejszego przejścia przez pasmo górskie.

Wyobraź sobie, że energia potrzebna do zapłonu fuzji tworzy krajobraz z górą w centrum. Cel podróży znajduje się po drugiej stronie góry, ale istnieje kilka możliwych dróg dotarcia do niego. Wiele proponowanych strategii fuzji próbuje skutecznie wznieść się bezpośrednio nad górę. Zaczynają od zwiększenia gęstości plazmy, a następnie dostarczenia ogromnej ilości ciepła potrzebnej do zapłonu.

Luis Delgado-Aparicio

Z nowych obliczeń wynika, że odwrócenie tej kolejności działań mogłoby okazać się znacznie korzystniejsze. Zamiast zagęszczać plazmę w pierwszej kolejności, lepiej najpierw ją podgrzać, a dopiero potem zwiększyć gęstość. Taka zmiana pozwala ominąć najbardziej energochłonne etapy, prowadząc jednocześnie do tych samych docelowych warunków.

Wiele firm chce wspiąć się na szczyt góry i poświęcić na to mnóstwo energii. Zamiast tego chcemy obejść szczyt dookoła. Dotrzesz do tego samego miejsca w znacznie bardziej inteligentny sposób i zużyjesz znacznie mniej energii.

Luis Delgado-Aparicio

Tajemnicze siodło Cordeya

Badacze wyodrębnili w tym matematycznym krajobrazie szczególnie istotny punkt, nazwany siodłem Cordeya.

W terminologii geograficznej siodło oznacza niski przesmyk pomiędzy dwoma wzniesieniami. W fizyce fuzji siodło Cordeya wskazuje stosunkowo łatwo osiągalne miejsce na granicy oddzielającej plazmę wciąż wymagającą zewnętrznego ogrzewania od plazmy zdolnej podtrzymywać reakcje syntezy samodzielnie.

Aby porównywać różne warianty trasy, naukowcy posłużyli się wskaźnikiem Q, czyli stosunkiem mocy wytworzonej przez reakcje syntezy do mocy dostarczonej z zewnątrz w procesie ogrzewania plazmy. Wartość Q=5 oznacza, że fuzja generuje pięciokrotnie więcej energii, niż zużywa system grzewczy.

W teoretycznie czystej plazmie, zbudowanej wyłącznie z paliwa fuzyjnego, siodło Cordeya pojawia się właśnie przy Q=5. Rzeczywiste instalacje są jednak dużo bardziej złożone – obecność zanieczyszczeń oraz działanie niezwykle silnych pól magnetycznych mogą przesuwać położenie tego punktu, podnosząc wymagany poziom Q.

Rozpoznanie mechanizmów rządzących tymi zmianami ma kluczowe znaczenie przy ocenie, czy dany projekt reaktora fuzyjnego w ogóle ma szansę osiągnąć zapłon.

Cztery czynniki, które mogą zdecydować o sukcesie reaktora

Opisane odkrycia mogą zaważyć na projektowaniu dwóch głównych rodzajów urządzeń do fuzji magnetycznej – tokamaków oraz stellaratorów.

Oba rozwiązania opierają się na silnych polach magnetycznych, które utrzymują plazmę podczas rozgrzewania jej do temperatur niezbędnych dla zajścia fuzji. Tokamaki, rozpoznawalne po charakterystycznym kształcie komory, uchodzą za jedną z czołowych technologii branych pod uwagę przy budowie przyszłych elektrowni termojądrowych.

Zarówno ośrodki badawcze, jak i firmy prywatne testują różne sposoby przekształcania energii z fuzji w prąd dostarczany do sieci. Znalezienie bardziej wydajnej ścieżki do zapłonu mogłoby ułatwić inżynierom projektowanie realnych instalacji i pozwolić uniknąć kosztownych pomyłek.

Dla PPPL opisywane prace są elementem szerszego programu mającego usunąć bariery naukowe i technologiczne stojące na drodze do komercyjnej produkcji energii z fuzji, w tym do powstania przyszłych pilotażowych elektrowni termojądrowych.

Istotą tego badania jest łączne uwzględnienie kilku ważnych zjawisk fizycznych naraz. Naukowcy wzięli pod uwagę cztery dodatkowe czynniki, które mogą decydować o tym, czy plazma osiągnie i utrzyma zapłon:

• Gromadzenie się popiołu helowego: hel, powstający jako produkt uboczny reakcji syntezy, może z czasem rozcieńczać pozostałe paliwo i obniżać wydajność procesu.
• Zanieczyszczenie plazmy: lekkie i ciężkie zanieczyszczenia mogą przenikać do plazmy z materiałów wykładających wnętrze reaktora, zaburzając warunki fuzji.
• Promieniowanie synchrotronowe: elektrony poruszające się w polach magnetycznych emitują promieniowanie, odprowadzając energię z plazmy.
• Strata ciepła: energia nieustannie ucieka z plazmy, a wraz ze wzrostem temperatury straty te mogą się nasilać.

Dopiero uwzględnienie wszystkich tych efektów daje bardziej wiarygodny obraz warunków, jakie muszą spełnić reaktory przyszłości.

Kiedy pomijasz te efekty, mówisz, że projekt będzie działał dobrze. Kiedy je dodajesz, obraz się zmienia i staje się to dość istotne.

Masayuki Ono

Jak podkreśla Ono, celem jest wypracowanie bardziej wiarygodnego i powszechnie stosowanego modelu, który pozwoli naukowcom oceniać projekty reaktorów fuzyjnych jeszcze przed rozpoczęciem ich budowy.

Traktowanie kryterium Lawsona jako jednego, niezmiennego progu pomija procesy fizyczne zdolne istotnie zmienić wymagania dotyczące zapłonu. Wzięcie ich pod uwagę już na etapie projektowania może zapobiec kosztownym komplikacjom w przyszłości.

Śladowe ilości wolframu mogą podwoić wymagania

Jednym z najbardziej zaskakujących wniosków badania jest rola wolframu – wyjątkowo odpornego na ciepło metalu, wybranego do budowy wewnętrznych ścianek ponad tuzina nowej generacji maszyn fuzyjnych.

Wolfram sprawdza się tu dlatego, że reaktory fuzyjne muszą wytrzymywać temperatury plazmy przewyższające te panujące w jądrze Słońca. Metal ten niesie jednak poważne ryzyko, gdy nawet jego niewielka ilość przedostanie się do wnętrza plazmy.

Z obliczeń zespołu wynika, że zanieczyszczenie wolframem na poziomie zaledwie jednej cząsteczki na 10 000 może niemal podwoić ciśnienie wymagane do uzyskania zapłonu. To znaczący skok, wywołany przez naprawdę śladową domieszkę materiału.

Pierwotnie obliczenia prowadzono w dwóch wymiarach. Gdy naukowcy rozszerzyli model na trzy wymiary, okazało się, że ciśnienie potrzebne do zapłonu może przekraczać granice stabilności samej plazmy. Oznacza to, że pozornie niewielka domieszka zanieczyszczeń potrafi zagrozić wykonalności niektórych koncepcji reaktorów.

Ciekły lit i specjalne paliwo mogą pomóc ominąć przeszkody

Badanie wskazuje też na technologie, które mogą pomóc przezwyciężyć problemy ujawnione w obliczeniach. Jedną z opcji jest wyłożenie wnętrza reaktora ciekłym litem – technikę tę naukowcy z PPPL badają od wielu lat.

Takie powłoki mogą ograniczać przenikanie wolframu do plazmy, a jednocześnie zmniejszać straty ciepła, co ułatwiłoby utrzymanie ekstremalnych warunków niezbędnych do zajścia fuzji.

Innym obiecującym kierunkiem jest zastosowanie paliwa o spolaryzowanym spinie, czyli odpowiednie ułożenie spinów jąder atomowych przed zajściem reakcji syntezy, co może przyspieszyć jej przebieg.

Zestawione razem, te rozwiązania mogłyby zwiększyć wydajność przyszłych reaktorów i ułatwić osiągnięcie zapłonu.