En ny väg till fusionsantändning

 

Bild https://www.pppl.go En konstnärs tolkning av ett tokamak-fusionssystem. (Illustration: Kyle Palmer/ PPPL:s kommunikationsavdelning)

Fusionsenergi är energi som frigörs vid sammanslagning av lätta atomer. Energiproduktionen i solen och andra huvudseriestjärnor bygger på fusion. Fusionskraftverk är en hypotetisk framtida form av kärnkraftverk som skulle använda fusionsenergi detta till skillnad mot dagens kärnkraftverk som använder fissionsenergi genom kärnklyvning . Går det tämja fusionsenergin och använda den skulle vi ha obegränsat med energi och den enda restprodukten skulle vara helium. Vi kunde lägga ner ner dagens kärnkraftsanläggningar och helt sluta med fossilt bränsle till elproduktion.

Ny forskning från USA. Avdelningen för EnergiPrinceton Plasma Physics Laboratory (PPPL) Princeton Plasma Physics Laboratory är ett nationellt laboratorium under USA:s energidepartement som förvaltas av Princeton University kartlägger en väg till antändningsförhållanden med betydligt mindre energi till fusion än någon annan väg.

Ett nytt PPPL-ramverk kartlägger vilken som är  minst krävande vägen till en självförsörjande fusionsplasma och visar att ett spår av volfram och superhöga magnetfält kan vara den vägen.

I mer än 70 år har forskare inom fusionsenergi använt en särskild ekvation för att avgöra om ett plasma skulle förbli tillräckligt varmt och tätt  tillräckligt länge för att nå en punkt där det kunde upprätthålla sig självt utan mer extern kraft. Även om den ekvationen markerar mållinjen kallad tändning säger den inget om det bästa sättet att nå den. Den ursprungliga "ideala" ekvationen, känd som Lawson-kriteriet utvecklades på 1950-talet. 

Nu har PPPL-fysikerna Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono och Jonathan Menard omformulerat det ideala kriteriet samtidigt som de lägger till fyra andra villkor för att nå och hålla ett brinnande plasma och ge den bästa processen för uppvärmning och drivning av plasman inom ett fusionsenergisystem. Deras arbet är Publicerad i tidskriften Physical ReviewLetters. 

Plasma är det fjärde materietillståndet innebärande en het gas bestående av elektriskt laddade partiklar. Ett brinnande plasma är plasma som har nått antändningspunkten. Den har då tillräckligt med värme från fusion reaktioner för att hålla den brinnande utan någon mer extern uppvärmning. Att uppnå tändning effektivt är ett centralt mål i fusionsenergiforskning.

Matematisk sett går den uppdaterade vägen till tändning genom ett område som kallas Cordey-sadeln. Det är den lägsta punkten på en ås som skiljer plasma som fortfarande kräver extern uppvärmning från en som håller temperaturen av sig självt. Teamet jämförde olika rutter med en mängd som kallas Q, (förhållandet mellan producerad fusionskraft och tillförd värmekraft). I ett rent "idealt" plasma av rent bränsle finns sadeln där fusionen återvänder ungefär fem gånger den värmekraft som tillförs. Att lägga till verkliga effekter, såsom föroreningar i plasman och superhöga magnetfält, flyttar sadeln och höjer den Q som krävs för att nå plasmatillståndet.

Forskningen kan förändra hur vissa fusionssystem, kända som Tokamaker och stellaratorer  i förhållande hur de designas och byggs. Även om flera metoder för närvarande utforskas vid forskningsinstitutioner och vid privata företag för att generera el till elnätet med hjälp av fusionsenergi, är tokamaker en ledande kandidat. Dessa donutformade maskiner försöker använda magnetfält till att hålla plasman på plats och tillföra energi till plasman så att den blir tillräckligt tät och het för att nå tändning. Att hitta den bästa vägen till antändning är bara ett av sätten som PPPL föröler hitta vägar till nationens kritiska vetenskaps- och teknikluckor som är avgörande för att uppnå kommersiell fusion.

Laget uteslöt i följande fyra tidigare intressanta faktorer i forskning om fusion:

Heliumaska, eller använt bränsle som kan byggas upp och späda ut plasman.

Lätta och tunga föroreningar i plasman som kommer från fusionssystemets inre väggar.

Strålningsförluster som avges av negativt laddade partiklar under färden, vilket kallas synkrotronstrålning.

"När du lämnar dessa effekter ute verkar designen att fungera bra," beskriver Ono. "När du sätter in dem ändras bilden, och de ses teoretiskt bli ganska viktiga. Målet, påtalar Ono, är att ge fältet en delad, mer realistisk modell för att bedöma en fusionsdesign innan den byggs. Det gamla antagandet att Lawson-kriteriet är ett enda fast värde, beskriver han då det utelämnar effekter som kan förändra svaret kraftigt. "Fusionsexperiment kostar mycket pengar, och du vill inte göra misstag du kan ha upptäckt i förväg," påtalar han.

Mer än ett dussin av nästa generations fusionsmaskiner har valt volfram för sina innerväggar eftersom metallen tål den extrema värmen från plasmat som måste nå temperaturer varmare än solens kärna. Den nya forskningen visar att volfram nästan fördubblar trycket som krävs för att nå antändning. Forskning betraktar saker bara i två dimensioner. Utökat till tre dimensioner kan trycket som krävs för att nå tändning stiga förbi den punkt där plasman är stabil.

Intressant nog erbjuder samma fysik ett skydd. Fusionsdesigners har länge oroat sig för termisk "okontrollerad" instabilitet, där fusionsvärme driver mer fusion, som i sin tur driver mer värme. Teamet fann att förlusterna som gör tändningen svårare också motverkar den cykeln. Tillsammans kan de hålla ett brinnande plasma i ett stadigt tillstånd på egen hand. (Till skillnad från ett fissionskraftverk rymmer ett fusionssystem bara några sekunder av bränsle åt gången, så att förlora kontrollen innebär att plasman kyls ner och förbränningen upphör snarare än något värre som kan ske i fissionskärnkraftverk av i dag.)

Forskningen är teoretisk, vilket betyder att den bygger på beräkningar snarare än mätningar eftersom inget experiment idag når de temperaturer där Cordey-pass ligger. Men teamet planerar digitala experiment för att testa värmebäst-vägen.

"Även om mer studier behövs är vi entusiastiska över resultaten och de tyder på en tydlig väg framåt för framtida forskning inom detta område," beskriver Menard.

Arbetet stöddes av DOE, Office of Science, Office of Fusion Energy Sciences, under kontrakt DE-AC02-09CH11466, inklusive stöd för ett Fusion Energy Sciences Early Career Award 2015, ett Diagnostic Innovation and Development Award 2018 samt Long-Pulse Tokamak Research Programs 2021 och 2025.