Fremtidige fusjonsreaksjoner inne i tokamaks kan produsere mye mer energi enn tidligere antatt, takket være banebrytende ny forskning som fant at en grunnleggende lov for slike reaktorer var feil.
Forskningen, ledet av fysikere fra det sveitsiske plasmasenteret ved École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EFPL), har bestemt at den maksimale hydrogendrivstofftettheten er omtrent det dobbelte av “Greenwald-grensen” – et estimat avledet fra eksperimenter for mer enn 30 år siden.
Oppdagelsen av at fusjonsreaktorer faktisk kan arbeide med hydrogenplasmatettheter som er mye høyere enn Greenwald-grensen de er bygget for, vil påvirke driften av den massive ITER-tokamak som bygges i Sør-Frankrike, og i stor grad påvirke designene til ITERs etterfølgere, kalt Demonstrasjonskraftverk (DEMO) fusjonsreaktorer, sa fysiker Paolo Ricci ved Swiss Plasma Center.
“Den eksakte verdien avhenger av kraften,” sa Ricci til WordsSideKick.com. “Men som et grovt estimat er økningen i størrelsesorden en faktor på to i ITER.”
Ricci er en av lederne i forskningsprosjektet, som kombinerte teoretisk arbeid med resultatene av omtrent et års eksperimenter ved tre forskjellige fusjonsreaktorer over hele Europa – EPFLs Tokamak à Configuration Variable (TCV (åpnes i ny fane)), Joint European Torus (JETFLY (åpnes i ny fane)) på Culham i Storbritannia og Axially Symmetric Divertor Experiment (ASDEX (åpnes i ny fane)) Oppgrader tokamak ved Max Planck Institute for Plasma Physics ved Garching i Tyskland.
Han er også en av hovedforfatterne av en studie om oppdagelsen publisert 6. mai i tidsskriftet Fysiske gjennomgangsbrev (åpnes i ny fane).
Fremtidig fusjon
Smultringformede tokamaks er en av de mest lovende designene for atomfusjonsreaktorer som en dag kan brukes til å generere elektrisitet til kraftnett.
Forskere har jobbet i mer enn 50 år for å gjøre kontrollert fusjon til en realitet; i motsetning til kjernefysisk fisjon, som får energi til å knuse svært store atomkjerner, kan kjernefysisk fusjon generere enda mer energi ved å slå sammen veldig små kjerner.
Fusjonsprosessen skaper mye mindre radioaktivt avfall enn fisjon, og det nøytronrike hydrogenet det bruker som drivstoff er relativt enkelt å få tak i.
Den samme prosessen driver stjerner som solen, som er grunnen til at kontrollert fusjon sammenlignes med en “stjerne i en krukke.” men fordi det svært høye trykket i hjertet av en stjerne ikke er mulig på Jordfusjonsreaksjoner her nede krever temperaturer varmere enn solen for å fungere.
De temperatur inne i TCV tokamakfor eksempel, kan være mer enn 216 millioner grader Fahrenheit (120 millioner grader Celsius) – nesten 10 ganger temperaturen til fusjonskjernen til solen, som er omtrent 27 millioner F (15 millioner C).
Flere fusjonskraftprosjekter er nå på et avansert stadium, og noen forskere mener den første tokamaken som genererer elektrisitet til nettet kan være i drift innen 2030Live Science har tidligere rapportert.
Mer enn 30 regjeringer rundt om i verden finansierer også ITER-tokamak («Iter» betyr «veien» på latin) som skal produsere sine første eksperimentelle plasmaer i 2025.
ITER er imidlertid ikke laget for å generere elektrisitet; men tokamaks basert på ITER som vil, kalt DEMO-reaktorer, blir nå designet og kan fungere innen 2051.
Plasma problemer
I hjertet av de nye beregningene er Greenwald-grensen, oppkalt etter MIT-fysiker Martin Greenwald som bestemte grensen i 1988.
Forskere prøvde å finne ut hvorfor fusjonsplasmaene deres effektivt ble ukontrollerbare (de utvidet seg utenfor magnetfeltene de var inneholdt av i tokamak-kammeret) når de økte drivstofftettheten forbi et visst punkt, og Greenwald utledet en eksperimentell grense basert på en tokamaks mindre radius (størrelsen på smultringens indre sirkel) og mengden elektrisk strøm som går gjennom plasmaet.
Selv om forskere lenge hadde mistenkt at Greenwald-grensen kunne forbedres, har det vært en grunnleggende regel for fusjonsforskning i mer enn 30 år, sa Ricci. For eksempel er det et ledende prinsipp for ITER-designet.
Den siste studien utvider imidlertid både eksperimentene og teorien som Greenwald brukte for å utlede grensen sin, noe som resulterer i en mye høyere drivstofftetthetsgrense som både vil øke kapasiteten til ITER og påvirke designene til DEMO-reaktorene som kommer etter den, han sa.
Nøkkelen var oppdagelsen av at et plasma kan opprettholde en større drivstofftetthet ettersom kraftuttaket til en fusjonsreaksjon øker, sa han.
Det er ennå ikke mulig å vite hvordan en så stor økning i drivstofftetthet vil påvirke kraftuttaket til tokamaks, sa Ricci, men det vil sannsynligvis være betydelig; og forskning viser at større brenseltetthet vil gjøre fusjonsreaktorer enklere å betjene.
“Det gjør trygge, bærekraftige fusjonsforhold lettere å oppnå,” sa han. “Det lar deg komme til det regimet du ønsker, slik at fusjonsreaktoren kan fungere ordentlig.”
Opprinnelig publisert på Live Science.