Các nhà vật lý tại EPFL, trong một sự hợp tác lớn của châu Âu, đã sửa đổi một trong những luật cơ bản đã được thiết lập huyết tương Và nghiên cứu nhiệt hạch trong hơn ba thập kỷ, nó thậm chí còn chi phối thiết kế của các dự án khổng lồ như ITER. Bản cập nhật cho thấy rằng chúng ta thực sự có thể sử dụng một cách an toàn nhiều nhiên liệu hydro hơn trong các lò phản ứng nhiệt hạch, do đó nhận được nhiều năng lượng hơn những gì chúng ta nghĩ trước đây.

Nhiệt hạch là một trong những nguồn năng lượng hứa hẹn nhất trong tương lai. Nó liên quan đến sự hợp nhất của hai hạt nhân nguyên tử thành một hạt nhân duy nhất, do đó giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ. Trên thực tế, chúng tôi đang thử nghiệm dung hợp Mỗi ngày: Hơi ấm của mặt trời đến từ sự hợp nhất của các hạt nhân hydro thành các nguyên tử heli nặng hơn.

Hiện đang có một dự án nghiên cứu nhiệt hạch quốc tế khổng lồ được gọi là ITER Mà tìm cách lặp lại các quá trình hợp nhất của mặt trời để tạo ra năng lượng trên Trái đất. Mục tiêu của nó là tạo ra plasma nhiệt độ cao cung cấp môi trường thích hợp để phản ứng tổng hợp xảy ra và sản xuất năng lượng.

Plasma – một trạng thái giống như khí của vật chất bị ion hóa – bao gồm các hạt nhân mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm, và có mật độ nhỏ hơn một triệu lần so với không khí chúng ta hít thở. Plasma được hình thành bằng cách cho “nhiên liệu nhiệt hạch” – nguyên tử hydro – tiếp xúc với nhiệt độ cực cao (gấp 10 lần nhiệt độ của lõi Mặt trời), buộc các electron tách khỏi hạt nhân nguyên tử của chúng. Trong lò phản ứng nhiệt hạch, quá trình xảy ra trong một cấu trúc hình tròn (“hình khuyên”) được gọi làtokamak. “

Lò phản ứng nhiệt hạch tokamak tại Trung tâm Plasma Thụy Sĩ. Tín dụng: Alan Herzog (EPFL)

Paolo Ricci thuộc Trung tâm Plasma Thụy Sĩ, một trong những viện nghiên cứu hàng đầu thế giới về lĩnh vực nhiệt hạch, đặt tại École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), nói.

Với sự hợp tác lớn của châu Âu, nhóm của Ricci hiện đã phát hành một nghiên cứu để cập nhật nguyên tắc cơ bản của quá trình tạo plasma – và cho thấy rằng chiếc tokamak ITER sắp tới thực sự có thể hoạt động với lượng hydro gấp đôi và do đó tạo ra nhiều năng lượng nhiệt hạch hơn những gì đã nghĩ trước đây.

“Một trong những hạn chế trong việc tạo ra plasma bên trong tokamak là lượng nhiên liệu hydro bạn có thể bơm vào nó,” Ritchie nói. “Từ những ngày đầu của phản ứng tổng hợp, chúng ta đã biết rằng nếu bạn cố gắng tăng mật độ của nhiên liệu, đến một lúc nào đó sẽ có thứ mà chúng ta gọi là ‘hỗn loạn’ – về cơ bản bạn chỉ mất hoàn toàn sự cuốn hút và plasma sẽ đi bất cứ đâu Đó là. Vì vậy, vào những năm 80, mọi người đã cố gắng đưa ra một số loại định luật có thể Dự đoán mật độ hydro tối đa mà bạn có thể đặt bên trong một chiếc tokamak. “

Câu trả lời đến vào năm 1988, khi nhà khoa học nhiệt hạch Martin Greenwald công bố một định luật nổi tiếng liên quan mật độ nhiên liệu với bán kính tokamak nhỏ (bán kính của hình tròn bên trong của một chiếc bánh rán) và dòng điện chạy trong plasma bên trong tokamak. Kể từ đó, “giới hạn Greenwald” đã trở thành một nguyên tắc cơ bản của nghiên cứu nhiệt hạch. Trên thực tế, chiến lược xây dựng tokamak của ITER dựa trên điều này.

Ritchie giải thích: “Greenwald suy ra luật theo kinh nghiệm và điều này hoàn toàn từ dữ liệu thực nghiệm — không phải là lý thuyết đã được thử nghiệm, hay cái mà chúng tôi gọi là ‘các nguyên tắc đầu tiên.'” Tuy nhiên, giới hạn đã phát huy tác dụng trong nghiên cứu. Và trong một số trường hợp, như DEMO (kế thừa của ITER), phương trình này là một giới hạn lớn đối với hoạt động của nó vì nó cho biết bạn không thể tăng mật độ của nhiên liệu lên trên một mức nhất định. “

Làm việc với các nhóm tokamak, Trung tâm Plasma của Thụy Sĩ đã thiết kế một thử nghiệm trong đó công nghệ tiên tiến cao có thể được sử dụng để kiểm soát chính xác lượng nhiên liệu được bơm vào tokamak. Các thử nghiệm lớn được tiến hành tại tokamak lớn nhất thế giới, Joint European Tokamak (JET) ở Anh, cũng như nâng cấp ASDEX ở Đức (Max Planck Institute) và TCV tokamak của EPFL. Nỗ lực thử nghiệm lớn này đã được thực hiện bởi EUROfusion Consortium, tổ chức châu Âu điều phối nghiên cứu nhiệt hạch ở châu Âu và trong đó EPFL hiện có sự tham gia của Viện Vật lý Plasma Max Planck ở Đức.

Cùng lúc đó, Maurizio Giacomene, một nghiên cứu sinh tiến sĩ trong nhóm của Ricci, bắt đầu phân tích các quá trình vật lý giới hạn mật độ tokamak, để tìm ra quy luật nguyên tắc cơ bản có thể liên hệ mật độ nhiên liệu với khối lượng tokamak. Một phần trong số đó liên quan đến việc sử dụng mô phỏng tiên tiến của plasma bằng mô hình máy tính.

Ritchie nói: “Các mô phỏng tận dụng lợi thế của một số máy tính lớn nhất trên thế giới, chẳng hạn như những máy do CSCS, Trung tâm Siêu máy tính Quốc gia Thụy Sĩ và EUROfusion tạo ra. “Và những gì chúng tôi tìm thấy, thông qua mô phỏng của chúng tôi, là khi bạn đổ thêm nhiên liệu vào plasma, các phần của nó sẽ đi từ lớp lạnh bên ngoài của tokamak, ranh giới, đến lõi của nó, bởi vì plasma trở nên hỗn loạn hơn. Sau đó, không giống như dây đồng điện, nó trở nên bền hơn khi bị đốt nóng, plasma trở nên bền hơn khi nó nguội đi. Vì vậy, bạn càng đổ nhiều nhiên liệu vào nó ở cùng nhiệt độ, các bộ phận của nó càng nguội đi – và dòng điện càng khó chạy trong plasma, có thể dẫn đến nhiễu loạn. “

Đây là một thách thức để mô phỏng. Ritchie nói: “Sự hỗn loạn trong chất lỏng thực sự là vấn đề mở quan trọng nhất trong vật lý cổ điển. “Nhưng sự nhiễu loạn trong plasma phức tạp hơn vì bạn cũng có các trường điện từ.”

Cuối cùng, Ritchie và các đồng nghiệp của ông đã có thể bẻ khóa mã và đặt bút viết trên giấy để tìm ra một phương trình mới cho giới hạn nhiên liệu tối đa tại tokamak, phù hợp với các thí nghiệm. Đã đăng trên tạp chí Thư đánh giá vật lý Vào ngày 6 tháng 5 năm 2022, nó thực thi công lý đối với biên giới Greenwald, bằng cách đến gần nó, nhưng nó hiện đại hóa nó theo những cách quan trọng.

Phương trình mới giả định rằng giới hạn Greenwald có thể được nâng lên khoảng hai lần về nhiên liệu tại ITER; Điều này có nghĩa là các tokama như ITER thực sự có thể sử dụng gấp đôi lượng nhiên liệu để tạo ra plasma mà không lo lắng về sự nhiễu loạn. Ritchie nói: “Điều này rất quan trọng vì nó cho thấy cường độ bạn có thể đạt được trong một chiếc xe tokamak sẽ tăng lên cùng với sức mạnh bạn cần để chạy nó. “Trên thực tế, DEMO sẽ hoạt động với công suất cao hơn nhiều so với các loại tokama và ITER hiện tại, có nghĩa là bạn có thể thêm nhiều mật độ nhiên liệu hơn mà không làm giảm sản lượng, không giống như Greenwald’s Law. Và đây là một tin rất tốt”.

Tham khảo: “Nguyên tắc đầu tiên máy đo giới hạn mật độ tokamak dựa trên vận chuyển cạnh hỗn loạn và phản ánh của nó trên ITER” của M. Giacomin, A. Pau, P. Ricci, O. Sauter, T. Eich, Nhóm nâng cấp ASDEX, Cổ đông JET và TCV Đội, ngày 6 tháng 5 năm 2022, Thư đánh giá vật lý.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.128.185003

Danh sách cộng tác viên

• Trung tâm Plasma Thụy Sĩ EPFL
• Viện Max Planck về Vật lý Plasma
• Nhóm TCV EPFL
• Nhóm nâng cấp ASDEX
• Những người đóng góp cho JET

Tài trợ: EUROfusion Consortium (Chương trình Nghiên cứu và Đào tạo Euratom), Quỹ Khoa học Quốc gia Thụy Sĩ (SNSF)