Kärnfusion för den kontrollerade och regelbundna elproduktionen genom att omvandla väte till helium och i liten skala återge vad som händer inom stjärnor är ett av de främsta teknologiska löften för kommande decennier. Än så länge, endast begränsade resultat har uppnåtts i laboratorieförsök. Nu, en prototypreaktor som heter ITER är under konstruktion i södra Frankrike. Dess designkapacitet är för 500 megawatt, och planen är att gå live 2025. Medlemmarna i ITER -konsortiet är Kina, europeiska unionen, Indien, Japan, Ryssland, Sydkorea och USA. Kostnaden för megaprojektet förväntas överstiga 20 miljarder euro.
ITER kommer inte att fånga den energi den producerar som el, men det kommer att vara den första tokamak som producerar nettoenergi, d.v.s. mer effekt än mängden termisk energi som injiceras för att värma plasma. Det kommer att göra det möjligt för forskare att lära sig mer om hantering av de flera tekniska komplexiteten i kärnfusion, banar väg för maskiner som använder den för att leverera el till elnätet. Termen tokamak kommer från den ryska akronymen för en toroidal kammare med magnetiska spolar.
Det kommer att vara avgörande att säkerställa att kärnfusionsprocessen kan bli självbärande och förhindra energiförluster via elektromagnetisk strålning och alfapartiklar, eftersom dessa förluster skulle tillåta reaktorn att svalna. Experimentella resultat som observerats under de senaste 20 åren har visat att hur snabba joner (inklusive alfapartiklar) matas ut från plasma varierar mycket från en tokamak till en annan. Tills nyligen, ingen förstod vilka experimentella förhållanden som bestämde detta beteende.
Problemet har nu belysts av Vinícius Njaim Duarte, en ung brasiliansk forskare. Duarte är för närvarande engagerad i postdoktoral forskning vid Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) i USA. Han är huvudförfattare till artikeln, med titeln "Teori och observation av uppkomsten av olinjära strukturer på grund av egenmode -destabilisering av snabba joner i tokamaks, "publicerad i Journal Physics of Plasmas .
Duartes forskning väckte så mycket uppmärksamhet att forskare vid den största amerikanska tokamak, DIII-D, utförde experiment för att testa modellen han föreslog. Resultaten bekräftade modellens förutsägelser.
Fysikern Ricardo Magnus Osório Galvão sa:"Elektromagnetiska vågor som upphetsas av snabba partiklar i tokamaks kan visa plötsliga variationer i frekvens, känd som kvittring. Ingen förstod varför detta hände på vissa maskiner och inte i andra. Med hjälp av komplex numerisk modellering och experimentella data, Duarte visade att huruvida kvittring inträffar eller inte - och därmed partikel- och energiförlustens beskaffenhet - beror på graden av turbulens i plasman som är begränsad i tokamak. Kärnfusionsreaktioner äger rum i denna plasma. Kvittring uppstår om det inte är mycket turbulent. Med svår turbulens, det finns inget kvittrande. "
Kärnfusion skiljer sig från kärnklyvning, processen som används i världens befintliga kärnkraftverk. I klyvning, atomkärnorna i tunga element som uran 235 delas upp i kärnor av lättare element - krypton och barium, I detta fall. Denna klyvning släpper ut energi, elektromagnetisk strålning, och neutroner som i sin tur delas upp i en kedjereaktion som håller processen igång.
Vid kärnfusion, atomkärnorna i lättare element som väteisotoperna deuterium (en proton och en neutron) och tritium (en proton och två neutroner) smälter samman för att bilda kärnor av tyngre grundämnen - i detta fall, helium (två protoner och två neutroner) - och släpper ut energi.
"För att kärnfusion ska vara möjlig, det är nödvändigt att övervinna den elektrostatiska avstötningen mellan positiva joner, "Galvão förklarade." Detta händer bara om plasma som bildas av kärnorna i ljuselementen värms till extremt höga temperaturer, i storleksordningen tiotals till hundratals miljoner grader Celsius. "
På ITER, till exempel, 840 kubikmeter plasma värms upp till 150 miljoner grader Celsius, över tio gånger temperaturen i solkärnan. "Vid den här temperaturen, du når jämn energi. Den energi som frigörs genom fusionsreaktionerna är tillräcklig för att motsvara den energi som krävs för att värma plasma, "Sa Galvão.
Processen sker i den toroidala kammaren inuti tokamaken. En torus är formad som en munk. Det fasta innehållet av ytan är känt som en toroid.
Kärnfusionsprocessen utvecklas enligt följande:Ett vakuum bildas i kammaren, som sedan fylls med gas. En elektrisk urladdning joniserar gasen, som värms upp av högfrekventa radiovågor. Ett elektriskt fält som induceras i den toroidala kammaren utsätter gasen för en extremt intensiv ström (cirka 1 miljon ampere, i fallet DIII-D), som värmer gasen ytterligare via Joule -effekten. Ännu mer energi injiceras av elektromagnetiska vågor tills den temperatur som krävs för att utlösa kärnfusion nås. Till och med en liten tokamak, som den som installerades vid University of São Paulo, når temperaturer i storleksordningen 100 miljoner grader.
"Vid dessa extremt höga temperaturer, jonerna vibrerar så starkt att de kolliderar och övervinner elektrostatisk avstötning, "Sade Galvão." Ett kraftfullt magnetfält begränsar plasmaflödet och håller det borta från kärlets väggar. De högaktiverade alfapartiklarna [heliumkärnor] kolliderar med andra partiklar i plasma, hålla den varm och upprätthålla fusionsreaktionen. "
En analogi som Galvão föreslog skulle vara en brasa gjord med fuktigt trä, som inte lätt tar eld i början men som blossar upp så småningom efter att en viss temperatur har uppnåtts, och den stadigt stabilare förbränningen ger tillräckligt med energi för att övervinna fuktigheten. Plasma når tändpunkten när alfapartiklar konsekvent börjar matas tillbaka in i processen.
Bland fusionens många fördelar jämfört med klyvning är det faktum att fusion innebär en självkontrollmekanism:När tändningspunkten nås, om denna temperaturnivå överskrids väsentligt - med andra ord, om plasma överhettas - reaktionen bromsas automatiskt. Således, reaktorsmältning, en av de farligaste komplikationerna av olyckor i kraftverk som använder kärnklyvning, kunde inte hända i en kärnfusionsanläggning.
Problemet är att resonant interaktion mellan alfapartiklar och vågor som finns i plasma kan excitera elektromagnetiska svängningar, eller till och med leda till utstötning av alfapartiklar. Detta kan orsaka energiförlust, plasmakylning och eventuellt avbrott i kärnfusion. Att förstå orsakerna till detta problem och de faktorer som kan förhindra det är grundläggande för att säkerställa processens hållbarhet och användning av kärnfusion som en livskraftig elkälla.
"Det Duarte fann är att detta resultat sker på ett självorganiserat sätt, med produktion av kvittring, om plasma inte är särskilt turbulent. Om turbulensen är hög, dock, det gör det inte, "Galvão sa [se nedan för en intervju med Vinícius Njaim Duarte].
Kärnan i problemet är att i en mycket turbulent vätska, det finns ingen preferensriktning, Galvão förklarade, erbjuder en annan analogi för att illustrera hans mening.
"När du värmer vatten långsamt, du skapar en konvektionscell i behållaren. Varmt vatten stiger, och kallt vatten sjunker. Detta fortsätter tills allt vatten når kokpunkten, "sa han." Mediet blir sedan turbulent, konvektionscellen förstörs, och energin sprider sig urskillningslöst åt alla håll. Detta händer också i magnetiskt begränsat plasma. Dess förekomst förhindrar skapandet av ett självorganiserat system som upprätthåller en oönskad associerad elektromagnetisk våg. Det finns inte tillräckligt med sammanhang för att vågor ska genereras. Så energiförlusten som skulle avsluta fusionsprocessen inträffar inte.
"Duarte hade redan publicerat ett papper om denna modell under sin doktorandforskning, men ingen hade utfört ett experiment för att kontrollera turbulensnivån och se om modellen tillämpades eller inte. Detta har nu genomförts av General Atomics vid DIII-D, specifikt för att testa modellen, vilket bevisades av resultatet. "
Experimentella fysiker visste redan empiriskt hur man framkallar högre eller lägre turbulens, men de visste inte att detta skulle påverka den spektrala naturen hos vågor som är associerade med partikelstrukturen. Duartes bidrag består i att identifiera nyckelkontrollmekanismen och förklara varför. När det gäller tekniska tillämpningar, detta skapar optimal turbulens-tillräckligt för att förhindra självorganiserade partiklar och energiförlust, men inte tillräckligt för att få andra oönskade effekter på den totala plasmakapaciteten.
Tills nu, tokamaks har använts i laboratorieskala. ITER kommer att vara den första prototypen på en tokamak som kan generera el effektivt genom kärnfusion. Användningen av kontrollerad kärnfusion är inte okontroversiell, men enligt sina förespråkare, det är säkert, kan producera en praktiskt taget obegränsad mängd kraft, och skapar inte radioaktivt avfall, likaså klyvningsreaktorer.
