Новый закон освобождает энергию термоядерного синтеза
Физики из EPFL в рамках крупного европейского сотрудничества пересмотрели один из фундаментальных законов, который лежал в основе исследований плазмы и термоядерного синтеза на протяжении более трех десятилетий, даже управляя проектированием таких мегапроектов, как ИТЭР. Обновление показывает, что мы действительно можем безопасно использовать больше водородного топлива в термоядерных реакторах и, следовательно, получать больше энергии, чем считалось ранее.
Термоядерный синтез — один из самых многообещающих источников энергии будущего. В нем два атомных ядра объединяются в одно, тем самым высвобождая огромное количество энергии. На самом деле, мы каждый день сталкиваемся с термоядерным синтезом: солнечное тепло исходит от ядер водорода, сливающихся в более тяжелые атомы гелия.
В настоящее время существует международный мегапроект по исследованию термоядерного синтеза под названием ИТЭР, целью которого является воспроизведение процессов термоядерного синтеза на Солнце для выработки энергии на Земле. Его целью является создание высокотемпературной плазмы, которая обеспечивает подходящую среду для термоядерного синтеза, производящего энергию.
Плазма — ионизированное состояние вещества, похожее на газ, — состоит из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов и почти в миллион раз менее плотна, чем воздух, которым мы дышим. Плазму создают, подвергая «термоядерное топливо» — атомы водорода — чрезвычайно высоким температурам (в 10 раз выше, чем у ядра Солнца), заставляя электроны отделяться от своих атомных ядер . Процесс происходит внутри кольцевидной («тороидальной») конструкции, называемой «токамак».
«Чтобы создать плазму для термоядерного синтеза, вы должны учитывать три вещи: высокую температуру, высокую плотность водородного топлива и хорошее удержание», — говорит Паоло Риччи из Швейцарского центра плазмы, одного из ведущих мировых научно-исследовательских институтов в области термоядерного синтеза, расположенного в ЭПФЛ.
Временная трасса потока газа, плотность электронов от томсоновского рассеяния, интенсивность излучения и магнитные возмущения для разряда JET № 80823. Событие MARFE идентифицируется по сильному увеличению излучения, измеренного выше точки X. Начало MARFE предшествует возникновению запертого режима, который в конечном итоге приводит к разрушению плазмы. Красная пунктирная вертикальная линия – время начала МАРФЭ, t M ≃ 20,9 с. Начало заблокированного режима N = 1 приходится на 21,95 с, а время срыва — на 21,1 с. Авторы и права: Письма с физическим обзором (2022 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.185003
Работая в рамках крупного европейского сотрудничества, команда Риччи выпустила исследование, обновляющее фундаментальный принцип генерации плазмы и показывающее, что будущий токамак ИТЭР может фактически работать с вдвое большим количеством водорода и, следовательно, генерировать больше термоядерной энергии, чем считалось ранее.
«Одним из ограничений при создании плазмы внутри токамака является количество водородного топлива, которое вы можете ввести в него», — говорит Риччи. «С первых дней термоядерного синтеза мы знали, что если вы попытаетесь увеличить плотность топлива, в какой-то момент произойдет то, что мы называем «разрушением» — вы полностью потеряете ограничение, и плазма пойдет куда угодно. В восьмидесятые люди пытались придумать какой-то закон, который мог бы предсказать максимальную плотность водорода, которую можно поместить внутрь токамака».
Ответ пришел в 1988 году, когда исследователь термоядерного синтеза Мартин Гринвальд опубликовал знаменитый закон, связывающий плотность топлива с малым радиусом токамака (радиусом внутренней окружности пончика) и током, протекающим в плазме внутри токамака. С тех пор «предел Гринвальда» стал основополагающим принципом исследований термоядерного синтеза; фактически на этом основана стратегия строительства токамаков ИТЭР.
«Гринвальд вывел закон эмпирически, то есть полностью из экспериментальных данных, а не из проверенной теории или того, что мы бы назвали «первыми принципами», — объясняет Риччи. «Тем не менее, предел работал довольно хорошо для исследований. И, в некоторых случаях, как DEMO (преемник ИТЭР), это уравнение представляет собой большой предел для их работы, потому что оно говорит, что вы не можете увеличить плотность топлива выше определенного уровня».
Швейцарский плазменный центр, работая с коллегами по токамакам, разработал эксперимент, в котором можно было использовать очень сложную технологию для точного контроля количества топлива, впрыскиваемого в токамак. Массовые эксперименты проводились на крупнейших в мире токамаках, Объединенном европейском торе (JET) в Великобритании, а также на установке ASDEX Upgrade в Германии (Институт Макса Планка) и собственном токамаке TCV EPFL. Эта большая экспериментальная работа стала возможной благодаря консорциуму EUROfusion, европейской организации, которая координирует 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 Джакомин, доктор философии студент группы Риччи начал анализировать физические процессы, ограничивающие плотность в токамаках, чтобы вывести закон из первых принципов, который может коррелировать плотность топлива и размер токамака. Частично это связано с использованием расширенного моделирования плазмы, выполненного с помощью компьютерной модели.
«Моделирование использует одни из самых больших компьютеров в мире, например, предоставленные CSCS, Швейцарским национальным суперкомпьютерным центром и EUROfusion», — говорит Риччи. «И то, что мы обнаружили в ходе наших симуляций, заключалось в том, что по мере того, как вы добавляете больше топлива в плазму, части ее перемещаются из внешнего холодного слоя токамака, границы, обратно в его ядро, потому что плазма становится более турбулентной. Затем, в отличие от электрического медного провода, который становится более стойким при нагревании, плазма становится более стойкой при охлаждении, поэтому, чем больше топлива вы положите в нее при той же температуре, тем больше ее частей остынет — и тем труднее чтобы в плазме протекал ток, что может привести к разрушению».
Это было сложно смоделировать. «Турбулентность в жидкости на самом деле является наиболее важным открытым вопросом в классической физике», — говорит Риччи. «Но турбулентность в плазме еще сложнее, потому что у вас также есть электромагнитные поля».
В конце концов, Риччи и его коллеги смогли взломать код и приложить «ручку к бумаге», чтобы вывести новое уравнение для предела топлива в токамаке, которое очень хорошо согласуется с экспериментами. Опубликованное в журнале Physical Review Letters , оно соответствует пределу Гринвальда, будучи близким к нему, но значительно обновляет его.
Новое уравнение утверждает, что предел Гринвальда может быть увеличен почти вдвое с точки зрения топлива в ИТЭР; это означает, что токамаки, такие как ИТЭР, могут фактически использовать почти вдвое больше топлива для производства плазмы, не беспокоясь о сбоях. «Это важно, потому что показывает, что плотность токамака увеличивается с увеличением мощности, необходимой для его работы», — говорит Риччи. «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, не ограничивая мощность, в отличие от закона Гринвальда. И это очень хорошая новость».
