Zwiększanie potencjału syntezy jądrowej do celów wytwarzania energii
Synteza jądrowa może zastąpić kopalne źródła energii i pokryć zapotrzebowanie energetyczne ludności na całym świecie. Jest to proces zasilający Słońce i gwiazdy. Energia wytwarzana jest poprzez połączenie dwóch izotopów wodoru – deuteru, pozyskiwanego z wody, i trytu, pozyskiwanego ze skorupy ziemskiej. Jednak aby odtworzyć ten proces na Ziemi, w celu całkowitej jonizacji złączanych atomów konieczne jest osiąganie skrajnie wysokich temperatur. Odbywa się to w urządzeniach służących do magnetycznego uwięzienia plazmy (tokamakach i stellaratorach), które zmieniają energię syntezy jądrowej w ciepło i przekształcają ją w parę wodną, a następnie za pośrednictwem turbin i generatorów w energię elektryczną. Jednakże cały ten proces charakteryzuje się stanami niestabilności magnetohydrodynamicznej znanymi pod pojęciem trybów niestabilności brzegowej (ang. edge localised mode; ELM), które powodują straty ciepła i cząstek oraz ograniczają żywotność tych reaktorów syntezy.
Badanie zjawiska ELM
Przy wsparciu programu Maria Skłodowska-Curie, w ramach finansowanego ze środków UE projektu FIREFELM naukowcy badali zjawisko ELM poprzez połączenie pomiarów wysokiej rozdzielczości z najnowocześniejszymi narzędziami numerycznymi. „ELM powodują usuwanie z plazmy cząstek i energii w sposób przypominający rozbłyski słoneczne na skraju Słońca. Zrozumienie i kontrolowanie, a nawet tłumienie zjawiska ELM jest kluczowe dla pomyślnego przeprowadzenia syntezy jądrowej”, wyjaśnia badaczka Eleonora Viezzer. W ramach projektu FIREFELM naukowcy modelowali kanały transportowe w tokamaku i zgłębiali zachowanie dynamiczne współczynników transportowych podczas cyklu ELM. Odkryli oni, że transport ciepła jonów i elektronów regeneruje się w różnych skalach czasowych, przy czym elektrony regenerują się wolniej. Wskazywało to, że utrata energii spowodowana przez ELM opóźnia regenerację gradientu temperatury elektronów. Wyniki sugerowały również, że plazma jądrowa może mieć decydujący wpływ na miejscową dynamikę regeneracji gradientu temperatury elektronów podczas cyklu ELM. Dodatkowo naukowcy zidentyfikowali mechanizm rezonacyjny pomiędzy orbitami jonów wiązki a równoległymi polami elektrycznymi, który może mieć związek z ELM. Przyspieszenie jonów wiązki po raz pierwszy udało im się zaobserwować w tokamaku ASDEX Upgrade. Przy użyciu numerycznych symulacji jonów szybkich (cząstek o energii nadtermicznej) oraz modelu analitycznego badacze w sposób jakościowy odtworzyli obserwacje doświadczalne.
Wpływ projektu FIREFELM i perspektywy na przyszłość
Synteza jądrowa może stanowić czyste, bezpieczne, opłacalne i bezemisyjne źródło energii. Deuter jest obecny w naszych oceanach, a tryt można otrzymywać z litu, który znajduje się w skorupie ziemskiej, co sprawia, że synteza jądrowa jest praktycznie nieograniczonym źródłem energii. Aktualnie prowadzona jest duża międzynarodowa inicjatywa ITER mająca na celu przyspieszenie procesu syntezy jądrowej i przekształcenie istniejących tokamaków w elektrownie termojądrowe przyszłości. Ponieważ ELM stanowi poważną przeszkodę dla stabilnego działania tych przyszłych urządzeń termojądrowych, praca wykonana w ramach projektu FIREFELM ma zasadnicze znaczenie w kontekście łagodzenia tego zjawiska. „Określenie dominujących mechanizmów transportowych pomoże nam w lepszym zrozumieniu cyklu ELM i opracowaniu schematów o wysokim stopniu uwięzienia plazmy bez występowania zjawiska ELM”, kontynuuje Viezzer. Wyniki projektu FIREFELM pozwalają nam lepiej zrozumieć obserwowane przyspieszanie i transport cząstek w koronie słonecznej oraz pomagają określić podobieństwa pomiędzy tokamakami i plazmami astrofizycznymi. Viezzer utrzymuje ten kierunek badań w celu opracowania technik kontrolowania ELM dzięki dotacji na start ERBN w ramach projektu 3D-FIREFLUC.
Słowa kluczowe
FIREFELM, synteza jądrowa, ELM, tokamak, deuter, tryt
