Două secunde de speranță pentru puterea de fuziune

Folosind fuziunea nucleară, procesul care alimentează stelele, pentru a produce electricitate pe Pământ, a fost faimos la 30 de ani distanță de mai bine de 70 de ani. Dar acum, un experiment inovator realizat la DIII-D National Fusion Facility din San Diego poate împinge în sfârșit centralele de fuziune nucleară la aproximativ 29 de ani.

Plafon de fuziune nucleară

Instalația DIII-D este condusă de General Atomics pentru Departamentul de Energie. Include un tokamak experimental, un dispozitiv de fuziune nucleară în formă de gogoașă care funcționează prin captarea plasmei uimitor de fierbinte în câmpuri magnetice toroidale foarte puternice. Tokamaks, în comparație cu alte modele de reactoare de fuziune, cum ar fi stellaratoarele, sunt cele mai avansate în dezvoltarea lor; ITER, primul dispozitiv de fuziune de dimensiunea unei centrale electrice din lume, aflat în construcție în Franța, este programat să efectueze primele teste cu plasmă în decembrie 2025.

Dar tokamak-urile au avut întotdeauna unele probleme. În 1988, Martin Greenwald, un expert al Institutului de Tehnologie din Massachusetts în fizica plasmei, a propus o ecuație care a descris o limită aparentă a modului în care plasma densă ar putea ajunge în tokamak-uri. El a susținut că densitatea maximă atinsă este dictată de raza minoră a unui tokamak și de curentul indus în plasmă pentru a menține stabilitatea magnetică. Depășirea acestei limite trebuia să facă magneții incapabili să rețină plasma, încălzită până la nord de 150 de milioane de grade Celsius, departe de pereții mașinii.

Deoarece puterea de ieșire a unui tokamak era proporțională cu pătratul densității combustibilului, această limită nu era de bun augur pentru centralele de fuziune. Un reactor comercial ar trebui fie să fie imens, fie să conducă curenți de plasmă absurd de mari. Primul însemna că ar fi catastrofal de costisitor de construit, iar cel de-al doilea că ar fi costisitor de rulat.

Dar a existat speranță. De atunci, multe echipe de cercetare care lucrează la diferite instalații de tokamak – inclusiv Joint European Torus (JET) din Marea Britanie sau ASDEX Upgrade din Germania – au atins densități de plasmă care depășesc limita Greenwald. Ca răspuns, însuși Martin Greenwald revizuit susține puțin, spunând că limita aplicată nu liniei densității medii a plasmei în întregul reactor, ci doar porțiunii de plasmă care ocupă mai puțin de 10% din raza de lângă peretele reactorului.

În timp ce numerele densității reale au fost împinse puțin, principiul de funcționare din spatele limitei Greenwald a rămas în continuare – când densitatea plasmei a crescut deasupra liniei Greenwald, calitatea izolării a scăzut. „Fenomenul major descoperit de oameni în experimentele de înaltă densitate a fost limitarea energiei reduse atunci când densitatea plasmei a fost crescută”, a spus Siye Ding, cercetător la General Atomics care lucrează la DIII-D National Fusion Facility.

Pentru a folosi fuziunea pentru producerea de energie, avem nevoie atât de densitate mare, cât și de izolare ridicată. „Pentru prima dată, am demonstrat experimental cum să rezolvăm această problemă”, a spus Ding.

Puzzle cu auto-organizare

„Când faci o plasmă în reactorul tău, există o întreagă combinație de parametri”, a explicat Andrea Garofalo, manager în științe la General Atomics, care a lucrat la experiment la DIII-D. „Ce este curentul de plasmă, ce este câmpul toroidal, care este încălzirea externă în funcție de timp. Combinațiile de astfel de parametri pot varia în tokamak – puteți avea curent de plasmă mai mare sau mai mic, puteți începe încălzirea devreme, puteți să o porniți mai târziu. Toate acestea includ ceea ce numim un scenariu.”

„Vorbim despre optimizarea formelor de undă ale puterii, alimentării etc. pentru a obține configurația corectă”, a adăugat el.

Configurația realizată de el și colegii săi (numită scenariu high-poloidal-beta) a funcționat ca un farmec.

Oamenii care lucrează la fuziunea nucleară folosesc diverse metrici care integrează mai mulți parametri în numere simple pentru a facilita compararea performanței diferitelor experimente de fuziune. Valoarea H98Y urmărește calitatea izolării. Modul de izolare ridicată care va fi utilizat la ITER are H98Y egal cu 1. Densitatea plasmei este adesea desemnată ca FGR – fracțiunea Greenwald – care descrie cât de mult sub sau peste limita Greenwald poate ajunge densitatea plasmei. FGR egal cu 1 înseamnă densitate exact la limita Greenwald.