Een nieuwe fundamentele wet die de beperkingen van fusie-energie ontsluit

Illustratie van wolkachtig geïoniseerd plasma in de ITER tokamak-fusiereactor. tegoed: ITER

Natuurkundigen van EPFL hebben, in een grote Europese samenwerking, een van de fundamentele wetten herzien die zijn vastgesteld[{” attribute=””>plasma and fusion research for over three decades, even governing the design of megaprojects like ITER. The update demonstrates that we can actually safely utilize more hydrogen fuel in fusion reactors, and therefore obtain more energy than previously thought.

Fusion is one of the most promising future energy sources . It involves two atomic nuclei merging into one, thereby releasing enormous amounts of energy. In fact, we experience fusion every day: the Sun’s warmth comes from hydrogen nuclei fusing into heavier helium atoms.

There is currently an international fusion research megaproject called ITER that seeks to replicate the fusion processes of the Sun to create energy on the Earth. Its goal is to generate high-temperature plasma that provides the right environment for fusion to occur, producing energy.

Plasmas — an ionized state of matter similar to a gas – are made up of positively charged nuclei and negatively charged electrons, and are almost a million times less dense than the air we breathe. Plasmas are created by subjecting “the fusion fuel” – hydrogen atoms – to extremely high temperatures (10 times that of the core of the Sun), forcing electrons to separate from their atomic nuclei. In a fusion reactor, the process takes place inside a donut-shaped (“toroidal”) structure called a “tokamak.”

The tokamak thermonuclear fusion reactor at Swiss Plasma Center. Credit: Alain Herzog (EPFL)

“In order to create plasma for fusion, you have to consider three things: high temperature, high density of hydrogen fuel, and good confinement,” says Paolo Ricci at the Swiss Plasma Center, one of the world’s leading research institutes in fusion located at École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL).

Working within a large European collaboration, Ricci’s team has now released a study updating a foundational principle of plasma generation – and showing that the upcoming ITER tokamak can actually operate with twice the amount of hydrogen and therefore generate more fusion energy than previously thought.

“One of the limitations in making plasma inside a tokamak is the amount of hydrogen fuel you can inject into it,” says Ricci. “Since the early days of fusion, we’ve known that if you try to increase the fuel density, at some point there would be what we call a ‘disruption’ – basically you totally lose the confinement, and plasma goes wherever. So in the eighties, people were trying to come up with some kind of law that could predict the maximum density of hydrogen that you can put inside a tokamak.”

Het antwoord kwam in 1988, toen fusiewetenschapper Martin Greenwald een beroemde wet publiceerde die de brandstofdichtheid relateert aan de kleine tokamak-straal (de straal van de binnenste cirkel van een donut) en de stroom die in het plasma in de tokamak stroomt. Sindsdien is de “Greenwald-limiet” een centraal principe van fusieonderzoek geworden. In feite is de strategie van ITER voor het bouwen van de tokamak hierop gebaseerd.

Ritchie legt uit: “Greenwald leidt de wet empirisch af, en dit is volledig uit empirische gegevens – geen geteste theorie, of wat we ‘eerste principes’ noemen.” De limiet werkte echter goed in het onderzoek. En in sommige gevallen, zoals DEMO (de opvolger van ITER), is deze vergelijking een grote limiet voor de werking ervan, omdat er staat dat je de dichtheid van de brandstof niet boven een bepaald niveau kunt verhogen.”

In samenwerking met de tokamak-teams ontwierp het Zwitserse plasmacentrum een ​​experiment waarbij zeer geavanceerde technologie kon worden gebruikt om de hoeveelheid brandstof die in de tokamak wordt geïnjecteerd nauwkeurig te regelen. De massale proeven werden uitgevoerd bij ’s werelds grootste tokamak, de Joint European Tokamak (JET) in het VK, evenals de ASDEX-upgrade in Duitsland (Max Planck Institute) en EPFL’s TCV-tokamak. Deze grote experimentele inspanning werd mogelijk gemaakt door het EUROfusion Consortium, de Europese organisatie die fusieonderzoek in Europa coördineert en waarbij EPFL nu betrokken is via het Max Planck Instituut voor Plasmafysica in Duitsland.

Tegelijkertijd begon Maurizio Giacomene, een doctoraalstudent in de groep van Ricci, de fysieke processen te analyseren die de tokamak-dichtheid beperken, om een ​​wet af te leiden van elementaire principes die de brandstofdichtheid kunnen relateren aan het tokamak-volume. Onderdeel daarvan is het gebruik van een geavanceerde simulatie van plasma met behulp van een computermodel.

“De simulaties maken gebruik van enkele van de grootste computers ter wereld, zoals die mogelijk zijn gemaakt door CSCS, het Swiss National Center for Supercomputing en EUROfusion”, zegt Ritchie. “En wat we uit onze simulaties ontdekten, is dat als je meer brandstof aan het plasma toevoegt, delen ervan van de buitenste koude laag van de tokamak, de grens, naar de kern gaan, omdat het plasma turbulenter wordt. Dan, in tegenstelling tot de koperen elektrische draden, die resistenter worden bij verhitting, plasma wordt resistenter als het afkoelt. Dus hoe meer brandstof je erin stopt bij dezelfde temperatuur, delen ervan afkoelen – en hoe moeilijker het is voor stroom om in het plasma te stromen , wat tot turbulentie kan leiden.”

Dit was een uitdaging om te simuleren. “Turbulentie in een vloeistof is eigenlijk de belangrijkste openstaande kwestie in de klassieke natuurkunde”, zegt Ritchie. “Maar turbulentie in plasma is complexer omdat je ook elektromagnetische velden hebt.”

Uiteindelijk waren Ritchie en zijn collega’s in staat om de code te ontcijferen en “pen op papier” te zetten om een ​​nieuwe vergelijking af te leiden voor de maximale brandstoflimiet bij de tokamak, die goed aansluit bij de experimenten. Gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven Op 6 mei 2022 doet het recht aan de grens van Greenwald, door er dichtbij te komen, maar moderniseert het het op belangrijke manieren.

De nieuwe vergelijking gaat ervan uit dat de Greenwald-limiet in termen van brandstof bij ITER ongeveer tweemaal kan worden verhoogd; Dit betekent dat tokamaks zoals ITER twee keer zoveel brandstof kunnen gebruiken om plasma te produceren zonder zich zorgen te maken over turbulentie. “Dit is belangrijk omdat het laat zien dat de intensiteit die je kunt bereiken in een tokamak toeneemt met het vermogen dat je nodig hebt om hem te laten werken”, zegt Ritchie. “DEMO zal in feite op een veel hoger vermogen werken dan de huidige tokamaks en ITER, wat betekent dat je meer brandstofdichtheid kunt toevoegen zonder de output te verminderen, in tegenstelling tot de wet van Greenwald. En dit is heel goed nieuws.”

Referentie: “First principles tokamak density limit meter based on turbulent edge transport and its reflections on ITER” Door M. Giacomin, A. Pau, P. Ricci, O. Sauter, T. Eich, ASDEX Upgrade Team, JET Shareholders en TCV Ploeg, 6 mei 2022, Fysieke beoordelingsbrieven.
DOI: 10.1103/ PhysRevLett.128.185003

Lijst met bijdragers

• Zwitsers plasmacentrum EPFL
• Max Planck Instituut voor Plasmafysica
• EPFL TCV-team
• ASDEX-upgradeteam
• Medewerkers aan JET

Financiering: EUROfusion (Euratom Research and Training Programme), Swiss National Science Foundation (SNSF)