Fysiker vid EPFL, inom ett stort europeiskt samarbete, har reviderat en av de grundläggande lagar som har varit grundläggande för plasma- och fusionsforskning i över tre decennier, till och med styr utformningen av megaprojekt som ITER. Uppdateringen visar att vi faktiskt på ett säkert sätt kan använda mer vätgas i fusionsreaktorer och därför få mer energi än vad vi tidigare trott.

Fusion är en av de mest lovande energikällorna i framtiden. Det innebär att två atomkärnor kombineras till en och därigenom frigör enorma mängder energi. Faktum är att vi upplever fusion varje dag:solens värme kommer från vätekärnor som smälter samman till tyngre heliumatomer.

Det pågår för närvarande ett internationellt megaprojekt för fusionsforskning som heter ITER, som syftar till att replikera solens fusionsprocesser för att skapa energi på jorden. Dess syfte är att skapa högtemperaturplasma som ger den rätta miljön för att fusion ska kunna ske och producera energi.

Plasma – ett joniserat tillstånd av materia som liknar en gas – består av positivt laddade kärnor och negativt laddade elektroner och är nästan en miljon gånger mindre tät än luften vi andas. Plasma skapas genom att utsätta "fusionsbränslet" - väteatomer - för extremt höga temperaturer (10 gånger solens kärna), vilket tvingar elektroner att separera från sina atomkärnor. Processen äger rum inuti en munkformad ("toroidal") struktur som kallas en "tokamak."

"För att skapa plasma för fusion måste du överväga tre saker:hög temperatur, hög densitet av vätebränsle och bra inneslutning", säger Paolo Ricci vid Swiss Plasma Center, ett av världens ledande forskningsinstitut inom fusion som ligger på EPFL.

I ett stort europeiskt samarbete har Riccis team nu släppt en studie som uppdaterar en grundläggande princip för plasmagenerering – och visar att den kommande ITER-tokamak faktiskt kan arbeta med dubbelt så mycket väte och därför generera mer fusionsenergi än vad man tidigare trott.

"En av begränsningarna i att göra plasma inuti en tokamak är mängden vätebränsle du kan injicera i den", säger Ricci. "Sedan de första dagarna av fusion har vi vetat att om du försöker öka bränsletätheten, vid någon tidpunkt skulle det finnas vad vi kallar en "störning" - i princip tappar du totalt inneslutningen, och plasma går vart som helst. Så i på åttiotalet försökte folk komma på någon form av lag som kunde förutsäga den maximala densiteten av väte som du kan stoppa in i en tokamak."

Ett svar kom 1988, när fusionsforskaren Martin Greenwald publicerade en berömd lag som korrelerar bränsletätheten till tokamakens mindre radie (radien för munkens inre cirkel) och strömmen som flyter i plasman inuti tokamak. Ända sedan dess har "Greenwald-gränsen" varit en grundläggande princip för fusionsforskning; Faktum är att ITER:s strategi för att bygga tokamak är baserad på den.

"Greenwald härledde lagen empiriskt, det är helt och hållet från experimentella data - inte en testad teori, eller vad vi skulle kalla "första principer", förklarar Ricci. "Ändå fungerade gränsen ganska bra för forskning. Och i vissa fall, som DEMO (ITERs efterträdare), utgör denna ekvation en stor gräns för deras funktion eftersom den säger att du inte kan öka bränsletätheten över en viss nivå."

I samarbete med andra tokamak-team utformade Swiss Plasma Center ett experiment där det var möjligt att använda mycket sofistikerad teknik för att exakt kontrollera mängden bränsle som sprutades in i en tokamak. De massiva experimenten utfördes på världens största tokamak, Joint European Torus (JET) i Storbritannien, samt ASDEX Upgrade i Tyskland (Max Plank Institute) och EPFL:s egen TCV tokamak. Denna stora experimentella insats möjliggjordes av EUROfusion Consortium, den europeiska organisation som koordinerar fusionsforskning i Europa och som EPFL nu deltar i genom Max Planck Institute for Plasma Physics i Tyskland.

Samtidigt tog Maurizio Giacomin, en Ph.D. student i Riccis grupp, började analysera de fysikprocesser som begränsar densiteten i tokamaks, för att härleda en lag från första principen som kan korrelera bränsletäthet och tokamaks storlek. En del av det var dock att använda avancerad simulering av plasmat utförd med en datormodell.

"Simuleringarna utnyttjar några av de största datorerna i världen, till exempel de som gjorts tillgängliga av CSCS, Swiss National Supercomputing Center och av EUROfusion", säger Ricci. "Och vad vi upptäckte, genom våra simuleringar, var att när du tillsätter mer bränsle i plasman, flyttar delar av det sig från det yttre kalla lagret av tokamak, gränsen, tillbaka till dess kärna, eftersom plasman blir mer turbulent. Sedan , till skillnad från en elektrisk koppartråd, som blir mer motståndskraftig när den värms upp, blir plasma mer motståndskraftig när de svalnar. Så ju mer bränsle du stoppar i den vid samma temperatur, desto fler delar av den kyls ner – och desto svårare är det för ström att flyta i plasman, vilket kan leda till en störning."

Detta var utmanande att simulera. "Turbulens i en vätska är faktiskt den viktigaste öppna frågan i klassisk fysik", säger Ricci. "Men turbulens i ett plasma är ännu mer komplicerat eftersom du också har elektromagnetiska fält."

Till slut kunde Ricci och hans kollegor knäcka koden och sätta "penna till papper" för att härleda en ny ekvation för bränslegränsen i en tokamak, som passar mycket bra med experiment. Publicerad i Physical Review Letters , den gör rättvisa till Greenwalds gräns genom att vara nära den, men uppdaterar den på ett betydande sätt.

Den nya ekvationen antyder att Greenwald-gränsen kan höjas nästan dubbelt när det gäller bränsle i ITER; det betyder att tokamaks som ITER faktiskt kan använda nästan dubbelt så mycket bränsle för att producera plasma utan oro för störningar. "Detta är viktigt eftersom det visar att densiteten som du kan uppnå i en tokamak ökar med den kraft du behöver för att köra den", säger Ricci. "Egentligen kommer DEMO att arbeta med en mycket högre effekt än nuvarande tokamaks och ITER, vilket innebär att du kan lägga till mer bränsletäthet utan att begränsa uteffekten, i motsats till Greenwald-lagen. Och det är mycket goda nyheter." + Utforska vidare

Mot fusionsenergi modellerar team plasmaturbulens på landets snabbaste superdator