Fizicienii au rescris o regulă de bază pentru reactoarele de fuziune nucleară, care ar putea genera o energie dublă față de cea estimată inițial

Datorită unei rescrieri a Legii lui Greenwald, reactoarele de fuziune nucleară ar putea genera o cantitate dublă de energie față de estimările inițiale.

Viitoarele reacții de fuziune din interiorul tokamak-urilor ar putea produce mult mai multă energie decât se credea anterior, datorită noilor cercetări inovatoare prin care s-a descoperit că o lege fundamentală pentru astfel de reactoare este greșită.

Cercetarea, care a fost condusă de fizicieni de la Swiss Plasma Center al École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EFPL), a determinat că densitatea maximă a hidrogenului utilizat drept combustibil este de aproximativ două ori „Limita Greenwald”, adică o valoare dublă faţă de o estimare obţinută în urma unor experimente cu mai bine de 30 de ani în urmă.

Camera de fuziune în formă de gogoașă a reactorului de fuziune tokamak conține plasmă de hidrogen supraîncălzită în câmpuri magnetice puternice pentru a împiedica deteriorarea pereților camerei de fuziune. Credit: Alain Herzog / EPFL

Descoperirea că reactoarele de fuziune pot funcționa cu o densitate a plasmei de hidrogen mult mai mare decât limita Greenwald pentru care sunt construite va influența funcționarea masivului reactor tokamak ITER care este construit în sudul Franței și va modifica, în mare măsură, proiectele succesorilor lui ITER, aşa-numitele reactoare de fuziune ale centralei de demonstrare (DEMO), a declarat fizicianul Paolo Ricci de la Swiss Plasma Center.

„Valoarea exactă depinde de putere, dar ca o estimare aproximativă, putem aprecia o dublare a energiei în ITER”, a declarat Ricci pentru Live Science.

Ricci este unul dintre liderii proiectului de cercetare, care a combinat munca teoretică cu rezultatele obţinute după aproximativ un an de experimente cu trei reactoare de fuziune diferite din Europa: Tokamak à Configuration Variable (TCV ) de la EPFL, Joint European Torus (JET) la Culham în Regatul Unit și Axially Symmetric Divertor Experiment (ASDEX) Upgrade Tokamak din cadrul Max Planck Institute for Plasma Physics de la Garching, Germania.

Ricci este, de asemenea, unul dintre autorii principali ai unui studiu despre noua descoperire care a fost publicat pe 6 mai în revista Physical Review Letters.

Viitorul fuziunii nucleare

Tokamak-urile în formă de gogoaşă sunt unul dintre cele mai promițătoare modele de reactoare de fuziune nucleară care ar putea fi folosite într-o zi pentru a genera energie electrică pentru rețelele electrice.

Oamenii de știință au lucrat mai bine de 50 de ani pentru a transforma fuziunea controlată în realitate. Spre deosebire de fisiunea nucleară, care generează energia din spargerea nucleelor ​​atomice foarte mari, fuziunea nucleară ar putea genera și mai multă energie prin unirea nucleelor ​​foarte mici.

Procesul de fuziune creează mult mai puține deșeuri radioactive decât fisiunea, iar hidrogenul bogat în neutroni pe care îl folosește pentru combustibil este relativ ușor de obținut.

Același proces asigură energia unor stele precum Soarele, motiv pentru care fuziunea controlată este asemănată cu încercarea de a pune o stea într-un „borcan”.

Deoarece obţinerea presiunii foarte mari din centrul unei stele nu este fezabilă pe Pământ, reacțiile de fuziune de aici necesită temperaturi chiar mai mari decât cele din Soare pentru a funcționa.

Tokamak-ul experimental TCV din Lausanne, Elveția, este folosit pentru a testa comportamentul plasmei de hidrogen care serveşte drept combustibil în viitoarele reactoare de fuziune. Credit: Curdin Wüthrich/SPC/EPFL

Temperatura din interiorul tokamak-ului TCV, de exemplu, poate fi mai mare de 120 milioane de grade Celsius, adică de aproape 10 ori temperatura din nucleul Soarelui, care este de aproximativ 15 milioane grade C.

Mai multe proiecte de generare a energiei prin reacţia de fuziune nucleară sunt acum într-un stadiu avansat, iar unii cercetători cred că primul tokamak care va genera electricitate pentru rețeaua electrică ar putea funcționa până în 2030, a anunţat Live Science.

Peste 30 de guverne din întreaga lume finanțează, de asemenea, tokamak-ul ITER, care urmează să producă prima plasmă experimentală în anul 2025.  „Iter” înseamnă „calea” în latină.

Cu toate acestea, ITER nu este conceput pentru a genera energie electrică, dar tokamak-urile bazate pe ITER, numite reactoare DEMO, sunt acum proiectate și ar putea funcționa până în 2051.

Problemele cu plasma de fuziune

Noile calcule s-au concentrat asupra Limitei Greenwald, numită după fizicianul Martin Greenwald, de la MIT, cel care a determinat această limită în 1988.

Cercetătorii încercau să înţeleagă de ce plasmele lor de fuziune au devenit efectiv incontrolabile (s-au extins în afara câmpurilor magnetice în care erau conținute în camera tokamak-ului) atunci când au mărit densitatea combustibilului peste un anumit punct, iar Greenwald a stabilit o limită experimentală bazată pe rază mică a  tokamak-ului (dimensiunea cercului interior al camerei de fuziune în formă de gogoaşă) și cantitatea de curent electric care trece prin plasmă.

Deși oamenii de știință bănuiseră de multă vreme că limita Greenwald ar putea fi îmbunătățită, aceasta a fost o regulă de bază a cercetării fuziunii timp de mai bine de 30 de ani, a spus Ricci. De exemplu, ea este un principiu călăuzitor al conceptului ITER.

Un electromagnet înalt, solenoidul central, se află în centrul tokamak-ului ITER.  Acesta generează curentul de plasmă, antrenând și modelând plasma în timpul funcționării reactorului. Credit: US ITER.

„Din cel mai recent studiu a rezultat o limită de densitate a combustibilului mult mai mare, ceea ce va crește capacitatea ITER şi va conduce la o reproiectare a reactoarelor DEMO care urmează după el.

Cheia a fost descoperirea că plasma de fuziune poate susține o densitate mai mare a combustibilului pe măsură ce crește puterea unei reacții de fuziune.

Nu este încă posibil să știm cum va afecta puterea de ieșire a tokamak-urilor o creștere atât de mare a densității combustibilului, dar este probabil ca aceasta să fie semnificativă.

Cercetările arată că o densitate mai mare a combustibilului va face reactoarele de fuziune mai ușor de operat, deoarece condițiile de fuziune, sigure și durabile, vor fi mai ușor de obţinut.

Astfel se poate ajunge la regimul dorit, astfel încât reactorul de fuziune să poată funcționa corect”, a declarat Ricci.

Traducere după Physicists just rewrote a foundational rule for nuclear fusion reactors that could unleash twice the power