Natuurkundigen van EPFL hebben, binnen een grote Europese samenwerking, een van de fundamentele wetten herzien die al meer dan drie decennia ten grondslag liggen aan plasma- en fusie-onderzoek, zelfs bij het ontwerp van megaprojecten zoals ITER. De update laat zien dat we daadwerkelijk veilig meer waterstofbrandstof kunnen gebruiken in fusiereactoren, en dus meer energie kunnen krijgen dan eerder werd gedacht.

Fusie is een van de meest veelbelovende bronnen van toekomstige energie. Het gaat om twee atoomkernen die samensmelten tot één, waarbij enorme hoeveelheden energie vrijkomen. In feite ervaren we elke dag fusie:de warmte van de zon komt van waterstofkernen die samensmelten tot zwaardere heliumatomen.

Er is momenteel een internationaal megaproject voor fusieonderzoek, ITER genaamd, dat tot doel heeft de fusieprocessen van de zon te repliceren om energie op aarde te creëren. Het doel is het creëren van plasma op hoge temperatuur dat de juiste omgeving biedt om fusie te laten plaatsvinden, waarbij energie wordt geproduceerd.

Plasma's - een geïoniseerde toestand van materie vergelijkbaar met een gas - bestaan ​​uit positief geladen kernen en negatief geladen elektronen, en zijn bijna een miljoen keer minder dicht dan de lucht die we inademen. Plasma's worden gemaakt door "de fusiebrandstof" - waterstofatomen - te onderwerpen aan extreem hoge temperaturen (10 keer die van de kern van de zon), waardoor elektronen worden gedwongen zich van hun atoomkernen te scheiden. Het proces vindt plaats in een donutvormige ("toroïdale") structuur die een "tokamak" wordt genoemd.

"Om plasma voor fusie te maken, moet je rekening houden met drie dingen:hoge temperatuur, hoge dichtheid van waterstofbrandstof en goede opsluiting", zegt Paolo Ricci van het Swiss Plasma Center, een van 's werelds toonaangevende onderzoeksinstituten op het gebied van fusie in EPFL.

Ricci's team werkt binnen een grote Europese samenwerking en heeft nu een studie vrijgegeven waarin een fundamenteel principe van plasmageneratie wordt bijgewerkt - en laat zien dat de aanstaande ITER-tokamak daadwerkelijk kan werken met twee keer zoveel waterstof en daarom meer fusie-energie kan genereren dan eerder werd gedacht.

"Een van de beperkingen bij het maken van plasma in een tokamak is de hoeveelheid waterstofbrandstof die je erin kunt injecteren", zegt Ricci. "Sinds de begindagen van fusie weten we dat als je probeert de brandstofdichtheid te verhogen, er op een gegeven moment een 'verstoring' zou ontstaan ​​- in feite verlies je de opsluiting volledig en gaat plasma overal heen. Dus in in de jaren tachtig probeerden mensen een soort wet te bedenken die de maximale dichtheid van waterstof kon voorspellen die je in een tokamak kunt stoppen."

Een antwoord kwam in 1988, toen fusiewetenschapper Martin Greenwald een beroemde wet publiceerde die de brandstofdichtheid correleert met de kleine straal van de tokamak (de straal van de binnenste cirkel van de donut) en de stroom die in het plasma in de tokamak stroomt. Sindsdien is de "Greenwald-limiet" een fundamenteel principe van fusieonderzoek; in feite is de tokamak-bouwstrategie van ITER erop gebaseerd.

"Greenwald heeft de wet empirisch afgeleid, dat wil zeggen volledig uit experimentele gegevens - geen geteste theorie, of wat we 'eerste principes' zouden noemen", legt Ricci uit. "Toch werkte de limiet redelijk goed voor onderzoek. En in sommige gevallen, zoals DEMO (de opvolger van ITER), vormt deze vergelijking een grote limiet voor hun werking omdat er staat dat je de brandstofdichtheid niet boven een bepaald niveau kunt verhogen."

In samenwerking met collega-tokamak-teams ontwierp het Zwitserse plasmacentrum een ​​experiment waarbij het mogelijk was om zeer geavanceerde technologie te gebruiken om de hoeveelheid brandstof die in een tokamak wordt geïnjecteerd, nauwkeurig te regelen. De enorme experimenten werden uitgevoerd bij 's werelds grootste tokamaks, de Joint European Torus (JET) in het VK, evenals de ASDEX Upgrade in Duitsland (Max Plank Institute) en EPFL's eigen TCV-tokamak. Deze grote experimentele inspanning werd mogelijk gemaakt door het EUROfusion Consortium, de Europese organisatie die fusieonderzoek in Europa coördineert en waaraan EPFL nu deelneemt via het Max Planck Instituut voor Plasmafysica in Duitsland.

Tegelijkertijd heeft Maurizio Giacomin, een Ph.D. student in Ricci's groep, begon de natuurkundige processen te analyseren die de dichtheid in tokamaks beperken, om een ​​eerste-principewet af te leiden die de brandstofdichtheid en de tokamakgrootte kan correleren. Een deel daarvan was echter het gebruik van geavanceerde simulatie van het plasma, uitgevoerd met een computermodel.

"De simulaties maken gebruik van enkele van de grootste computers ter wereld, zoals die ter beschikking worden gesteld door CSCS, het Swiss National Supercomputing Center en door EUROfusion", zegt Ricci. "En wat we door onze simulaties ontdekten, was dat als je meer brandstof aan het plasma toevoegt, delen ervan van de buitenste koude laag van de tokamak, de grens, terug naar de kern gaan, omdat het plasma turbulenter wordt. , in tegenstelling tot een elektrische koperdraad, die resistenter wordt bij verhitting, worden plasma's resistenter als ze afkoelen. Dus hoe meer brandstof je erin stopt bij dezelfde temperatuur, hoe meer delen ervan afkoelen - en hoe moeilijker het is om stroom in het plasma te laten vloeien, mogelijk leidend tot een storing."

Dit was een uitdaging om te simuleren. "Turbulentie in een vloeistof is eigenlijk de belangrijkste openstaande kwestie in de klassieke natuurkunde", zegt Ricci. "Maar turbulentie in een plasma is nog ingewikkelder omdat je ook elektromagnetische velden hebt."

Uiteindelijk waren Ricci en zijn collega's in staat om de code te kraken en "pen op papier" te zetten om een ​​nieuwe vergelijking voor brandstoflimiet in een tokamak af te leiden, die heel goed aansluit bij experimenten. Gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , het doet recht aan de limiet van Greenwald door er dichtbij te zijn, maar werkt het op belangrijke manieren bij.

De nieuwe vergelijking stelt dat de Greenwald-limiet qua brandstof bijna tweevoudig kan worden verhoogd in ITER; dat betekent dat tokamaks zoals ITER bijna twee keer zoveel brandstof kunnen gebruiken om plasma's te produceren zonder zorgen over verstoringen. "Dit is belangrijk omdat het laat zien dat de dichtheid die je kunt bereiken in een tokamak toeneemt met het vermogen dat je nodig hebt om het te laten draaien", zegt Ricci. "Eigenlijk zal DEMO op een veel hoger vermogen werken dan de huidige tokamaks en ITER, wat betekent dat je meer brandstofdichtheid kunt toevoegen zonder de output te beperken, in tegenstelling tot de wet van Greenwald. En dat is heel goed nieuws." + Verder verkennen

Op weg naar fusie-energie modelleert team plasmaturbulentie op de snelste supercomputer van het land