Naukowcy z Chin poczynili znaczne postępy w opracowywaniu energii termojądrowej, skutecznie przekraczając od dawna ustalony limit gęstości w reaktorach eksperymentalnych. Przełom w eksperymentalnym udoskonalonym tokamaku nadprzewodzącym (EAST) pokazuje, że tradycyjne ograniczenia gęstości plazmy – krytycznego czynnika wydajności syntezy jądrowej – można ominąć poprzez precyzyjną kontrolę warunków reaktora. Jest to ważne, ponieważ zwiększona gęstość plazmy jest bezpośrednio powiązana z wyższą produkcją energii, która jest kluczem do zapewnienia żywotności energii termojądrowej.
Limit Greenwalda i dlaczego jest on ważny
Przez dziesięciolecia fizycy zajmujący się syntezą termojądrową kierują się tak zwaną granicą Greenwalda: praktyczną granicą, powyżej której przegrzana plazma staje się niestabilna, co może potencjalnie uszkodzić elementy reaktora. Nie uznawano tego za niezmienne prawo fizyki, ale raczej za obserwowalne zjawisko, które określało, o ile gęstość plazmy wewnątrz tokamaka (magnetycznego urządzenia ograniczającego w kształcie torusa) może wzrosnąć, zanim się zapadnie.
Problem? Im więcej atomów upakuje się w plazmie, tym więcej zachodzi reakcji termojądrowych, a co za tym idzie, tym większa jest energia wytworzona. Jednak w miarę wzrostu gęstości plazma emituje energię, ochładza się na granicy i pobiera zanieczyszczenia ze ścian reaktora. Zanieczyszczenia te przyspieszają chłodzenie, uwalniając więcej zanieczyszczeń w niszczycielskiej pętli sprzężenia zwrotnego, która pogarsza zamknięcie magnetyczne i wstrzymuje reakcję.
Tryb bez limitu gęstości: nowe podejście
Niedawne badania teoretyczne wykazały sposób na obejście tego ograniczenia: kontrolowanie interakcji ścian plazmy podczas rozruchu reaktora, aby zapobiec gromadzeniu się zanieczyszczeń. Zespół kierowany przez Ping Zhu i Ning Yang przetestował tę teorię w EAST, dokładnie regulując ciśnienie paliwa gazowego i stosując ogrzewanie rezonansowe cyklotronu elektronowego.
Wynik? Osiągnęli gęstość plazmy 65% wyższą niż granica Greenwalda, radykalnie zmniejszając przenikanie zanieczyszczeń ze ścian do plazmy. Nie oznacza to całkowitej eliminacji ograniczeń gęstości, ale dowodzi, że tradycyjna bariera nie jest absolutna.
Implikacje dla przyszłych reaktorów termojądrowych
Odkrycie to sugeruje, że reaktory termojądrowe można projektować i eksploatować wydajniej, niż wcześniej sądzono. Dostosowując przepływy pracy, przyszłe urządzenia będą w stanie obsługiwać gęstsze reakcje o wyższej energii. Naukowcy w dalszym ciągu udoskonalają swoje metody, aby sprawdzić, jak EAST radzi sobie w ulepszonych warunkach.
„Odkrycia wskazują praktyczną i skalowalną ścieżkę przesuwania granic gęstości w tokamakach i zaawansowanych urządzeniach do syntezy gorącej plazmy” – mówi Zhu.
Ten przełom jest znaczący, ponieważ usuwa kluczową przeszkodę na drodze do zrównoważonej energii termojądrowej, przybliżając nas do czystego, praktycznie niewyczerpanego źródła energii.
