Sztuczne Słońce bliżej powstania. Naukowcy znaleźli drogę na skróty
Sztuczne Słońce można odpalić w inny, tańszy sposób, dowodzą najnowsze badania amerykańskich naukowców. To z kolei otwiera drogę do szybszego uruchomienia reaktorów termojądrowych i tańszej, czystszej energii.
Energia termojądrowa od dekad rozpala wyobraźnię naukowców i inwestorów. Jej potencjał jest ogromny, reakcje podobne do tych, które zasilają Słońce, mogłyby dostarczać energię elektryczną bez spalania węgla, gazu czy ropy. Problem w tym, że odtworzenie takich warunków na Ziemi jest niezwykle trudne. Paliwo trzeba rozgrzać do olbrzymich temperatur, utrzymać w odpowiedniej gęstości i zapobiec ucieczce energii.
Od ponad siedmiu dekad badacze fuzji jądrowej opierają się na matematycznej zasadzie, aby określić, czy plazma może pozostać wystarczająco gorąca i gęsta przez wystarczająco długi czas, aby podtrzymać fuzję bez dodatkowego ogrzewania zewnętrznego. Równanie to, znane jako kryterium Lawsona, definiuje warunki wymagane do zapłonu. Nie wyjaśnia jednak najskuteczniejszego sposobu ich osiągnięcia.
Teraz fizycy z Princeton Plasma Physics Laboratory, Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono i Jonathan Menard opracowali bardziej kompleksową wersję tego kryterium. Uwzględniając cztery dodatkowe czynniki wpływające na wydajność syntezy jądrowej, opracowali obiecującą drogę do zapłonu, która może wymagać znacznie mniej energii niż alternatywne metody.
Wyniki ich badań opublikowano w czasopiśmie Physical Review Letters.
Badania koncentrują się na plazmie, często nazywanej czwartym stanem skupienia materii. Plazma powstaje wtedy, gdy gaz zostanie poddany działaniu bardzo dużej energii (np. wysokiej temperatury lub silnego pola elektrycznego), co powoduje oderwanie elektronów od atomów i częściową lub całkowitą jonizację materii.
W reaktorach termojądrowych ten niezwykle gorący materiał zawiera jądra atomowe, które naukowcy mają nadzieję połączyć, uwalniając energię poprzez syntezę jądrową. To ten sam proces, który zachodzi w Słońcu.
Ostatecznym celem jest wytworzenie plazmy, w której reakcje syntezy jądrowej generują wystarczającą ilość ciepła, aby podtrzymać proces bez konieczności ciągłego ogrzewania zewnętrznego. Efektywne osiągnięcie tego stanu pozostaje jednym z najważniejszych wyzwań w badaniach nad energią fuzji jądrowej.
Droga na drugą stronę góry
Delgado-Aparicio porównuje to odkrycie do znalezienia wygodniejszej trasy 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 - tłumaczy naukowiec.
Nowe obliczenia sugerują, że inna sekwencja mogłaby być znacznie bardziej wydajna. Zamiast najpierw zwiększać gęstość, naukowcy mogliby podgrzać plazmę przed jej zagęszczeniem. Ta alternatywna metoda pozwala uniknąć najwyższych wymagań energetycznych, a jednocześnie osiągnąć pożądane warunki.
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 - powiedział Delgado-Aparicio.
Tajemnicze siodło Cordeya
Naukowcy zidentyfikowali szczególnie ważny obszar tego matematycznego krajobrazu, nazwany siodłem Cordeya.
W ujęciu geograficznym siodło to niskie przejście między wyższymi wysokościami. W fizyce syntezy jądrowej siodło Cordeya reprezentuje stosunkowo łatwo dostępny punkt wzdłuż granicy oddzielającej plazmę, która nadal wymaga zewnętrznego ogrzewania, od plazmy zdolnej do podtrzymywania własnych reakcji syntezy jądrowej.
Aby ocenić różne trasy, naukowcy posłużyli się pomiarem zwanym Q, który pozwala porównać moc wytwarzaną przez reakcje fuzji z mocą zewnętrznego ogrzewania dostarczanego do plazmy. Na przykład wartość Q równa 5 oznacza, że reakcje syntezy jądrowej wytwarzają pięć razy więcej energii niż dostarcza zewnętrzny system ogrzewania.
W idealnej plazmie zawierającej wyłącznie czyste paliwo fuzyjne, siodło Cordeya występuje przy Q = 5. Jednak rzeczywiste układy fuzyjne są znacznie bardziej skomplikowane. Zanieczyszczenia w plazmie i ekstremalnie silne pola magnetyczne mogą zmienić położenie tego przejścia, zwiększając wartość Q potrzebną do jego osiągnięcia.
Zrozumienie, w jaki sposób zmieniają się te warunki, jest kluczowe dla ustalenia, czy proponowany reaktor fuzyjny może realistycznie doprowadzić do zapłonu.
Cztery czynniki, które mogą zdecydować o sukcesie reaktora
Odkrycia mogą mieć wpływ na konstrukcję dwóch głównych typów urządzeń do fuzji magnetycznej: tokamaków i stellaratorów.
Oba podejścia wykorzystują silne pola magnetyczne do utrzymywania plazmy podczas jej nagrzewania do ekstremalnych temperatur niezbędnych do fuzji. Tokamaki, o charakterystycznym kształcie, należą do wiodących technologii badanych pod kątem przyszłych elektrowni termojądrowych.
Instytucje badawcze i firmy prywatne poszukują różnych sposobów wytwarzania energii elektrycznej z fuzji i dostarczania jej do sieci elektroenergetycznej. Znalezienie efektywnej drogi do zapłonu mogłoby pomóc inżynierom w projektowaniu bardziej praktycznych systemów przy jednoczesnym uniknięciu kosztownych błędów.
Dla PPPL praca ta stanowi część szerszego wysiłku mającego na celu rozwiązanie problemów naukowych i technologicznych, które muszą zostać pokonane, zanim komercyjna produkcja energii z fuzji stanie się możliwa. Dotyczy to opracowania przyszłych pilotażowych elektrowni termojądrowych.
Jednym z głównych osiągnięć tego badania jest to, że ocenia ono kilka ważnych procesów fizycznych łącznie. Naukowcy uwzględnili cztery dodatkowe czynniki, które mogą mieć wpływ na to, czy plazma osiągnie i utrzyma zapłon:
- Gromadzenie się popiołu helowego: Reakcje syntezy jądrowej wytwarzają hel jako produkt uboczny. Gromadzenie się zużytego paliwa jądrowego może rozcieńczać pozostałe paliwo syntezowe i obniżać jego wydajność.
- Zanieczyszczenie plazmy: Lekkie i ciężkie zanieczyszczenia mogą przedostać się do plazmy z materiałów wyściełających wnętrze reaktora, zakłócając warunki fuzji.
- Promieniowanie synchrotronowe: Elektrony przemieszczające się przez pola magnetyczne emitują promieniowanie, zabierając energię z plazmy.
- Strata ciepła: Energia stale ucieka z plazmy, a straty te mogą być większe w miarę wzrostu jej temperatury.
Uwzględnienie tych efektów pozwala uzyskać bardziej realistyczny obraz warunków, jakie muszą spełniać przyszłe reaktory.
Kiedy pomijasz te efekty, mówisz, że projekt będzie działał dobrze. Kiedy je dodajesz, obraz się zmienia i staje się to dość istotne - powiedział Ono.
Według Ono celem jest stworzenie bardziej niezawodnego i powszechnie stosowanego modelu, który naukowcy będą mogli wykorzystać do oceny projektów reaktorów fuzyjnych przed rozpoczęciem ich budowy.
Traktowanie kryterium Lawsona jako pojedynczego, niezmiennego progu pomija procesy fizyczne, które mogą znacząco zmienić wymagania dotyczące zapłonu. Uwzględnienie tych efektów na wczesnym etapie projektowania może zapobiec kosztownym problemom w przyszłości.
Śladowe ilości wolframu mogą podwoić wymagania
Jedno szczególnie zaskakujące odkrycie dotyczy wolframu, niezwykle odpornego na ciepło metalu wybranego do budowy wewnętrznych ścianek ponad tuzina maszyn fuzyjnych nowej generacji.
Wolfram jest atrakcyjny, ponieważ reaktory fuzyjne muszą wytrzymywać warunki, w których temperatury plazmy są wyższe niż te panujące w centrum Słońca. Jednak materiał ten stanowi również poważne wyzwanie, jeśli nawet niewielkie jego ilości przedostaną się do plazmy.
Obliczenia zespołu wskazują, że zanieczyszczenie wolframem w stężeniu zaledwie jednej części na 10 000 może w przybliżeniu podwoić ciśnienie niezbędne do zapłonu fuzji. Jest to znaczny wzrost, spowodowany wyjątkowo małą ilością materiału.
Obliczenia początkowo przeprowadzono w dwóch wymiarach. Kiedy naukowcy rozszerzyli analizę na trzy wymiary, odkryli, że ciśnienie potrzebne do zapłonu może przekraczać granice stabilności plazmy. Sugeruje to, że pozornie niewielkie zanieczyszczenie może mieć poważne konsekwencje dla wykonalności niektórych projektów reaktorów fuzyjnych.
Ciekły lit i specjalne paliwo mogą pomóc ominąć przeszkody
Badanie wskazało również technologie, które mogą pomóc w pokonaniu niektórych przeszkód ujawnionych w obliczeniach. Jedną z możliwości jest pokrycie wnętrza reaktorów fuzyjnych ciekłym litem. Naukowcy z PPPL badają tę technikę od lat.
Powłoki te mogą pomóc zapobiec przedostawaniu się wolframu do plazmy, jednocześnie redukując straty ciepła, dzięki czemu łatwiejsze stanie się utrzymanie ekstremalnych warunków niezbędnych do fuzji.
Innym obiecującym podejściem jest wykorzystanie paliwa o spolaryzowanym spinie. Polega ono na przygotowaniu jąder atomowych tak, aby ich spiny były ustawione w jednej linii przed zajściem syntezy, co może zwiększyć szybkość reakcji syntezy.
Łącznie strategie te mogą poprawić wydajność przyszłych reaktorów i sprawić, że zapłon stanie się łatwiejszy do osiągnięcia.
Dziennikarz Spider's Web. Specjalizuje się w tematyce militariów i obronności. Pisze również o nauce - głownie o kosmosie. Jest pasjonatem lotnictwa, broni pancernej i miłośnikiem symulatorów. Interesuje się historią konfliktów oraz Chin i Wietnamu w XX wieku. Dziennikarzem jest od 1998 roku. Pracował w Super Expressie, Gazecie Wyborczej, Purepc. Jest autorem trzech książek poświęconych wojnie w Wietnamie. Prywatnie interesuje się również fizyką, grami, kotami i kolarstwem górskim.