Întâi căldura, apoi densitatea: cercetătorii ar fi găsit o scurtătură spre energia de fuziune

Plasma dintr-un reactor de fuziune ar putea fi întâi încălzită și abia apoi comprimată. Calculele unor fizicieni de la Laboratorul de Fizică a Plasmei din Princeton (PPPL), care aparține Departamentului Energiei al SUA (DOE), sugerează că această schimbare de ordine ar putea reduce dramatic energia necesară pentru o reacție de fuziune care se întreține singură.

Ar putea fi o cale mult mai eficientă spre aprinderea fuziunii, o etapă importantă pe drumul spre o energie de fuziune utilizabilă în practică. Visul unei astfel de energii s-ar putea apropia astfel de realitate. Deocamdată însă, ruta există doar în calcule și nu a fost încă demonstrată experimental.

Problema pe care o atacă studiul e veche. De mai bine de șapte decenii, cercetătorii din domeniu se bazează pe o regulă matematică pentru a stabili dacă o plasmă poate rămâne suficient de fierbinte și de densă, suficient de mult timp, încât să susțină fuziunea fără încălzire externă suplimentară. Ecuația se numește criteriul Lawson și definește condițiile necesare aprinderii. Nu spune însă care e cel mai eficient mod de a le îndeplini.

Fizicienii Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono și Jonathan Menard, toți de la PPPL, au construit o versiune mai cuprinzătoare a criteriului, care include patru factori suplimentari cu influență asupra performanței fuziunii. Rezultatul este o cale promițătoare spre aprindere, care ar putea necesita mult mai puțină energie decât celelalte abordări. Studiul a fost publicat în revista Physical Review Letters.

Totul se petrece în plasmă, numită adesea a patra stare a materiei. Ea se formează atunci când un gaz devine atât de energic încât particulele lui ajung să poarte sarcini electrice. În reactoarele de fuziune, acest material extrem de fierbinte conține nucleele atomice pe care cercetătorii speră să le combine, eliberând energie prin fuziune nucleară.

Ținta finală este o plasmă în ardere, adică o plasmă în care reacțiile de fuziune produc suficientă căldură pentru a întreține procesul fără încălzire externă continuă. A ajunge eficient în această stare rămâne una dintre cele mai importante provocări ale cercetării în domeniu.

Muntele care nu trebuie urcat frontal

Delgado-Aparicio compară descoperirea cu găsirea unei rute mai eficiente printr-un lanț muntos. În imaginea lui, cerințele energetice pentru aprindere formează un peisaj dominat de un munte impunător. Destinația se află de cealaltă parte, iar până acolo duc mai multe drumuri.

Multe dintre strategiile de fuziune propuse încearcă, de fapt, să urce direct pe munte. Ele cresc întâi densitatea plasmei, apoi furnizează cantitatea enormă de căldură necesară aprinderii.

Noile calcule sugerează că o altă succesiune ar putea fi considerabil mai eficientă: plasma ar fi încălzită înainte de a deveni mai densă. Această rută ocolește zona cu cele mai mari cerințe energetice și ajunge totuși la condițiile dorite.

„Multe companii vor să urce muntele frontal și cheltuiesc o cantitate enormă de energie ca să ajungă acolo. În schimb, ocolești vârful. Ajungi în același loc într-un mod mult mai inteligent și consumi mult mai puțină energie”, a spus Delgado-Aparicio.

Șaua Cordey, trecătoarea din peisajul matematic

Cercetătorii au identificat în acest peisaj matematic o regiune deosebit de importantă, numită șaua Cordey. În geografie, o șa este o trecătoare joasă între înălțimi mai mari. În fizica fuziunii, șaua Cordey este un punct relativ accesibil de-a lungul graniței dintre două tipuri de plasmă: cea care mai are nevoie de încălzire externă și cea capabilă să-și întrețină singură reacțiile de fuziune.

Pentru a compara rutele, oamenii de știință au folosit o mărime numită Q, care raportează puterea produsă de reacțiile de fuziune la puterea de încălzire externă furnizată plasmei. Un Q de 5, de pildă, înseamnă că reacțiile de fuziune produc de cinci ori mai multă putere decât furnizează sistemul de încălzire externă.

Într-o plasmă idealizată, alcătuită doar din combustibil de fuziune pur, șaua Cordey apare la aproximativ Q = 5. Sistemele reale sunt însă mult mai complicate. Contaminanții din plasmă și câmpurile magnetice extrem de puternice pot muta această trecătoare și pot ridica valoarea Q necesară pentru a ajunge la ea. Fără să știe cum se schimbă aceste condiții, cercetătorii nu pot stabili dacă un reactor de fuziune propus poate atinge realist aprinderea.

O hartă mai realistă pentru reactoarele viitoare

Descoperirile ar putea influența proiectarea a două tipuri majore de dispozitive de fuziune magnetică: tokamakurile și stelaratoarele. Ambele folosesc câmpuri magnetice puternice pentru a ține plasma captivă în timp ce o încălzesc la temperaturile extraordinare cerute de fuziune. Tokamakurile, cu forma lor caracteristică de gogoașă, se numără printre tehnologiile de vârf studiate pentru viitoarele centrale electrice de fuziune.

Instituțiile de cercetare și companiile private explorează numeroase căi de a produce electricitate din fuziune și, în cele din urmă, de a o livra în rețea. O rută eficientă spre aprindere i-ar putea ajuta pe ingineri să proiecteze sisteme mai practice și să evite greșeli costisitoare.

Pentru PPPL, această muncă face parte dintr-un efort mai amplu. Laboratorul încearcă să rezolve problemele științifice și tehnologice care trebuie depășite înainte ca energia de fuziune comercială să devină posibilă, inclusiv dezvoltarea viitoarelor centrale-pilot de fuziune.

Unul dintre progresele majore ale studiului este că evaluează împreună mai multe procese fizice importante, pe care multe cercetări anterioare le examinaseră separat. Cei patru factori adăugați pot influența dacă o plasmă atinge și menține aprinderea:

• Cenușa de heliu. Reacțiile de fuziune produc heliu ca produs secundar. Pe măsură ce se acumulează, acest combustibil uzat poate dilua combustibilul de fuziune rămas și poate reduce performanța.
• Contaminarea plasmei. Impurități ușoare și grele pot pătrunde în plasmă din materialele care căptușesc interiorul reactorului și pot perturba condițiile de fuziune.
• Radiația sincrotronică. Electronii care se deplasează prin câmpuri magnetice emit radiație și iau astfel energie din plasmă.
• Pierderea de căldură. Plasma pierde continuu energie, iar aceste pierderi pot crește odată cu temperatura ei.

Luate în calcul, aceste efecte oferă o imagine mai realistă a condițiilor pe care vor trebui să le îndeplinească reactoarele viitoare.

„Când nu iei în calcul aceste efecte, spui că proiectul va funcționa bine. Când le iei în calcul, imaginea se schimbă, și asta contează destul de mult”, a spus Ono.

Potrivit lui Ono, scopul este un model mai fiabil și aplicabil pe scară largă. Cu ajutorul lui, oamenii de știință ar putea evalua proiectele de reactoare înainte să înceapă construcția.

Tratat ca prag unic și fix, criteriul Lawson ignoră procese fizice care pot modifica substanțial cerințele pentru aprindere. Dacă aceste efecte intră în calcul încă de la începutul proiectării, ar putea fi evitate probleme costisitoare mai târziu.

„Experimentele de fuziune costă foarte mult și nimeni nu vrea să facă greșeli care ar fi putut fi depistate din timp”, a spus el.

Tungstenul: o parte la 10.000, o presiune circa dublă

Una dintre cele mai frapante concluzii privește tungstenul. Acest metal extrem de rezistent la căldură a fost ales pentru pereții interiori ai mai mult de o duzină de instalații de fuziune de nouă generație.

Tungstenul este atractiv pentru că reactoarele de fuziune trebuie să reziste unor plasme mai fierbinți decât centrul Soarelui. Materialul devine însă o problemă serioasă chiar și atunci când în plasmă pătrund cantități infime.

Calculele echipei arată că o contaminare cu tungsten de doar o parte la 10.000 poate dubla aproximativ presiunea necesară aprinderii fuziunii. Este o creștere substanțială, provocată de o cantitate extrem de mică de material.

Calculele au fost dezvoltate inițial în două dimensiuni. Când cercetătorii au extins analiza la trei, au constatat că presiunea necesară aprinderii ar putea depăși limitele în care plasma rămâne stabilă. Asta sugerează că o contaminare aparent minoră ar putea avea consecințe majore asupra fezabilității anumitor modele de reactoare.

Pierderile de energie, o posibilă sursă de stabilitate

Surprinzător, unele dintre procesele care îngreunează aprinderea pot contribui și la o funcționare mai sigură și mai constantă a reactoarelor de fuziune.

Oamenii de știință studiază de multă vreme posibilitatea unei instabilități termice de tip „runaway”. În acest scenariu, căldura din reacțiile de fuziune mărește viteza reacției, care produce și mai multă căldură. Astfel poate porni un ciclu care se autoalimentează.

Cercetătorii au descoperit că pierderile de energie din interiorul plasmei pot contracara în mod natural acest efect. Pierderile fac aprinderea mai greu de atins, dar oferă totodată o influență de echilibrare. Datorită ei, o plasmă în ardere ar putea rămâne într-o stare de funcționare stabilă fără ajustări constante. Un asemenea echilibru ar putea fi valoros în proiectarea viitoarelor reactoare.

(Spre deosebire de o centrală nucleară cu fisiune, un sistem de fuziune conține combustibil doar pentru câteva secunde la un moment dat. Dacă se pierde controlul, plasma se răcește și arderea se oprește, fără să se întâmple ceva mai grav)

Litiul lichid și combustibilul cu spin polarizat

Studiul identifică și tehnologii care ar putea ajuta la depășirea unora dintre obstacolele scoase la iveală de calcule. Una dintre ele presupune acoperirea interiorului reactoarelor cu litiu lichid, o tehnică pe care cercetătorii de la PPPL o studiază de ani de zile. Astfel de acoperiri ar putea împiedica pătrunderea tungstenului în plasmă și ar reduce totodată pierderile de căldură. Condițiile extreme cerute de fuziune ar fi astfel mai ușor de menținut.

O altă abordare promițătoare folosește combustibil cu spin polarizat. Nucleele atomice sunt pregătite astfel încât spinurile lor să fie aliniate înainte de fuziune, ceea ce poate crește viteza reacției.

Împreună, aceste strategii ar putea îmbunătăți performanța reactoarelor viitoare și ar face drumul spre aprindere mai ușor de parcurs.

Deocamdată, doar în calcule

În ciuda rezultatelor promițătoare, abordarea propusă, care pune căldura pe primul loc, nu a fost încă demonstrată experimental. Cercetarea este teoretică și se bazează pe calcule matematice, nu pe măsurători directe. Experimentele de fuziune existente nu au atins temperaturile asociate cu șaua Cordey, așa că oamenii de știință nu au putut testa ruta prevăzută în acele condiții.

„Deși sunt necesare studii suplimentare, suntem încântați de aceste rezultate, care sugerează o cale clară de urmat pentru cercetările viitoare în acest domeniu”, a declarat Menard.

Dacă vor fi confirmate de studiile viitoare, calculele ar putea oferi o bază importantă pentru proiectarea unor sisteme de fuziune mai eficiente. Ele i-ar putea ajuta pe cercetători să ia decizii mai bune privind construcția reactoarelor. Ca pas următor, echipa PPPL intenționează să folosească experimente digitale. Simulările pe computer vor verifica dacă încălzirea plasmei înainte de creșterea densității aduce într-adevăr avantajele așteptate.

Merită să știe și alții asta?

Votează dacă ți-a plăcut articolul.

DA NU