قانون أساسي جديد يفك قيود الطاقة الاندماجية

رسم توضيحي للبلازما المتأينة الشبيهة بالغيوم في مفاعل الاندماج ITER tokamak. الائتمان: ITER

قام الفيزيائيون في EPFL ، ضمن تعاون أوروبي كبير ، بمراجعة أحد القوانين الأساسية التي تم تأسيسها[{” 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.”

https://www.youtube.com/watch؟v=VqpnGhbo2UY

جاءت الإجابة في عام 1988 ، عندما نشر عالم الاندماج مارتن غرينوالد قانونًا مشهورًا يربط كثافة الوقود بنصف قطر توكاماك الصغير (نصف قطر الدائرة الداخلية للدونات) والتيار الذي يتدفق في البلازما داخل توكاماك. منذ ذلك الحين ، أصبح “حد Greenwald” مبدأًا أساسيًا لبحوث الاندماج. في الواقع ، تعتمد إستراتيجية ITER لبناء التوكاماك على ذلك.

يوضح ريتشي: “اشتق غرينوالد القانون بشكل تجريبي ، وهذا تمامًا من البيانات التجريبية – وليست نظرية مُختبرة ، أو ما نسميه” المبادئ الأولى “. “ومع ذلك ، نجح الحد بشكل جيد في البحث. وفي بعض الحالات ، مثل DEMO (خليفة ITER) ، تشكل هذه المعادلة حدًا كبيرًا لتشغيلها لأنها تنص على أنه لا يمكنك زيادة كثافة الوقود فوق مستوى معين “.

من خلال العمل مع فرق توكاماك ، صمم مركز البلازما السويسري تجربة حيث كان من الممكن استخدام تقنية متطورة للغاية للتحكم بدقة في كمية الوقود المحقون في توكاماك. تم إجراء التجارب الهائلة في أكبر توكاماك في العالم ، التوروس الأوروبي المشترك (JET) في المملكة المتحدة ، بالإضافة إلى ترقية ASDEX في ألمانيا (معهد ماكس بلانك) و TCV tokamak الخاص بـ EPFL. تم تحقيق هذا الجهد التجريبي الكبير من قبل EUROfusion Consortium ، وهي المنظمة الأوروبية التي تنسق أبحاث الاندماج في أوروبا والتي يشارك فيها EPFL الآن من خلال معهد Max Planck لفيزياء البلازما في ألمانيا.

في الوقت نفسه ، بدأ ماوريتسيو جياكومين ، طالب دكتوراه في مجموعة ريتشي ، في تحليل العمليات الفيزيائية التي تحد من كثافة التوكاماك ، من أجل استنباط قانون المبادئ الأولية الذي يمكن أن يربط بين كثافة الوقود وحجم التوكاماك. جزء من ذلك يتضمن استخدام محاكاة متقدمة للبلازما باستخدام نموذج حاسوبي.

يقول ريتشي: “تستغل عمليات المحاكاة بعضًا من أكبر أجهزة الكمبيوتر في العالم ، مثل تلك التي أتاحتها CSCS والمركز الوطني السويسري للحوسبة الفائقة و EUROfusion”. “وما وجدناه ، من خلال عمليات المحاكاة التي أجريناها ، هو أنه كلما أضفت المزيد من الوقود إلى البلازما ، تنتقل أجزاء منه من الطبقة الباردة الخارجية لتوكاماك ، الحدود ، إلى جوهرها ، لأن البلازما تصبح أكثر اضطرابًا. ثم ، على عكس الأسلاك النحاسية الكهربائية ، التي تصبح أكثر مقاومة عند تسخينها ، تصبح البلازما أكثر مقاومة عندما تبرد. لذا ، فكلما زاد الوقود الذي تضعه فيه عند نفس درجة الحرارة ، تبرد أجزاء منه – ويزداد صعوبة تدفق التيار في البلازما ، مما قد يؤدي إلى حدوث اضطراب “.

كان هذا تحديا لمحاكاة. يقول ريتشي: “الاضطراب في السائل هو في الواقع أهم قضية مفتوحة في الفيزياء الكلاسيكية”. “لكن الاضطراب في البلازما أكثر تعقيدًا لأن لديك أيضًا مجالات كهرومغناطيسية.”

في النهاية ، تمكن ريتشي وزملاؤه من فك الشفرة ووضع “قلم على ورقة” لاشتقاق معادلة جديدة للحد الأقصى للوقود في توكاماك ، والتي تتماشى جيدًا مع التجارب. نشرت في المجلة خطابات المراجعة المادية في 6 مايو 2022 ، تنصف حدود غرينوالد ، من خلال الاقتراب منها ، لكنها تقوم بتحديثها بطرق مهمة.

تفترض المعادلة الجديدة أنه يمكن رفع حد Greenwald مرتين تقريبًا من حيث الوقود في ITER ؛ وهذا يعني أن التوكاماك مثل ITER يمكنها في الواقع استخدام ضعف كمية الوقود لإنتاج البلازما دون القلق من الاضطرابات. يقول ريتشي: “هذا مهم لأنه يوضح أن الكثافة التي يمكنك تحقيقها في توكاماك تزداد مع القوة التي تحتاجها لتشغيله”. “في الواقع ، سيعمل DEMO بقوة أعلى بكثير من tokamaks و ITER الحاليين ، مما يعني أنه يمكنك إضافة المزيد من كثافة الوقود دون الحد من الإخراج ، على عكس قانون Greenwald. وهذه أخبار جيدة للغاية “.

المرجع: “مقياس حد الكثافة من المبادئ الأولى في توكاماك استنادًا إلى النقل المضطرب للحافة وانعكاساته على ITER” بقلم M. Giacomin ، A. Pau ، P. Ricci ، O. Sauter ، T. Eich ، فريق ترقية ASDEX ، مساهمو JET ، وفريق TCV ، 6 مايو 2022 ، خطابات المراجعة المادية.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.128.185003

قائمة المساهمين

• مركز البلازما السويسري EPFL
• معهد ماكس بلانك لفيزياء البلازما
• فريق EPFL TCV
• فريق ترقية ASDEX
• المساهمون في JET

التمويل: EUROfusion Consortium (برنامج بحث وتدريب Euratom) ، مؤسسة العلوم الوطنية السويسرية (SNSF)