Bez tego fuzja jądrowa się nie uda. Mamy wskazówkę, jak ulepszyć tokamaki

Energia wykorzystywana obecnie na świecie pochodzi z paliw kopalnych, źródeł odnawialnych lub rozszczepienia jąder atomowych. Nadrzędnym celem ludzkości jest opracowanie nowych, jeszcze ambitniejszych źródeł energii, a właśnie takim wydaje się być fuzja jądrowa, czyli reakcja analogiczna do procesów zachodzących w gwiazdach (także w Słońcu). W wyniku fuzji, lżejsze atomy łączą się w cięższe, uwalniając przy tym ogromne ilości energii. Tę energię da się ujarzmić, choć jeszcze tego nie potrafimy zrobić.

Z fuzją jądrową na Ziemi są trzy zasadnicze problemy. Po pierwsze: temperatura rzędu 150 mln ^oC, czyli 10 razy więcej niż we wnętrzu Słońca. Po drugie: deuteru (jednego z izotopów wodoru potrzebnych do reakcji) mamy pod dostatkiem, ale trytu już nie. Po trzecie: do przechowywania plazmy (gorącego gazu podgrzanego do kilku mln ^oC) potrzebne są gigantyczne magnesy, a więc i potężne pole magnetyczne, a to jest procesem drogim i czasochłonnym.

Czytaj też: Szkło dostało drugie życie. Naukowcy wskrzeszają go do walki z globalnym ociepleniem

Do przeprowadzenia fuzji jądrowej wykorzystuje się tzw. stellaratory lub tokamaki. Problem w tym, że te istniejące nie są wcale idealne. Ale można je ulepszyć – kluczowe jest jednak zrozumienie procesów związanych ze stratami energii w ich ścianach.

Fuzja jądrowa pod kontrolą, ale czy na pewno?

Okazuje się, że w tokamakach może następować nagła utrata energii, której przyczyną jest tzw. niestabilność magnetohydrodynamiczna lub tryb sprzężenia z naczyniem próżniowym. Nowe badania pokazują, że tempo utraty ciepła jest zgodne ze wzrostem określonej niestabilności, trybem rezystancyjnego rozdzierania ścian (RWTM).

Pomiary wykazały, że temperatura plazmy spada zgodnej z rozwojem trybu. Symulacje pokazują, że RWTM byłby stabilny w obecności doskonale przewodzącej ściany, a także, że niestabilny tryb rośnie do wystarczającej amplitudy, aby spowodować szybką utratę energii plazmy. Ta gwałtowna utrata energii jest określana jako wygaszanie termiczne. Symulowana amplituda i warunki początkowe zgadzają się z wynikami eksperymentalnymi.

Dlaczego to takie ważne w kontekście rozwoju fuzji jądrowej? Jeżeli ściany tokamaka nie są szczelne i występują wszelkie niestabilności, fuzja albo nie będzie efektywna, albo samoistnie się wygasi.

W niedawno opublikowanych badaniach w czasopiśmie Physics of Plasmas, naukowcy Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych szczegółowo opisali proces wygaszania termicznego w celu zbadania ewolucji niestabilności plazmy podczas zakłóceń. Okazało się, że skalowanie szybkości wzrostu niestabilności jest zgodne z oczekiwaniami opartymi na przewodności naczyń oraz że czas wygaszania termicznego jest proporcjonalny do czasu liniowego wzrostu. Symulowana szybkość wzrostu i amplituda RWTM zgadza się z czasem wygaszania termicznego w eksperymencie. Badania te dostarczają podstaw fizycznych do określenia odpowiedniej skali czasowej w ITER, największym i najpotężniejszym tokamaku na świecie, który jest w fazie projektu i budowy od 2013 r.