Uusi reitti fuusiosytytykseen

Yli 70 vuoden ajan fuusioenergiatutkijat ovat käyttäneet tiettyä yhtälöä arvioidakseen, pysyisikö plasma riittävän kuumana ja tiheänä – riittävän kauan – saavuttaakseen pisteen, jossa se voisi ylläpitää itseään ilman lisättyä ulkoista energiaa. Vaikka tämä yhtälö merkitsee maaliviivaa, joka tunnetaan myös syttymisenä, se ei kerro mitään parhaasta tavasta sen saavuttamiseksi.

Uusi tutkimus yhdysvaltain energiaministeriön Princetonin plasmafysiikan laboratoriossa (PPPL) kartoittaa syttymisolosuhteisiin johtavan reitin käyttämällä paljon vähemmän energiaa kuin mikään muu reitti.

Alkuperäinen "ideaalinen" yhtälö, joka tunnetaan Lawsonin kriteerinä, kehitettiin ensimmäisen kerran 1950-luvulla. Nyt PPPL-fyysikot Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono ja Jonathan Menard ovat muotoilleet uudelleen tuon ideaalisen kriteerin ja lisänneet neljä muuta ehtoa palavan plasman saavuttamiseksi ja pitämiseksi suunnitellakseen parhaan prosessin plasman lämmittämiseksi ja käyttämiseksi fuusioenergiajärjestelmässä.

Plasma on aineen neljäs olomuoto: kuuma kaasu, joka koostuu sähköisesti varautuneista hiukkasista. Palava plasma on sellainen, joka on saavuttanut syttymispisteen. Se on saanut riittävästi lämpöä fuusio reaktioita plasman pitämiseksi palamassa ilman lisälämmitystä. Tehokas syttyminen on fuusioenergiatutkimuksen keskeinen tavoite.

Delgado-Aparicion mukaan tulos on kuin löytäisi tehokkaimman reitin vuorijonon läpi. Kuvittele energia, jota plasma tarvitsee syttymiseen maastossa, jossa syttymiskohta löytyy korkean vuoren huipun takaa. Monet fuusiohankkeet suunnittelevat kiipeävänsä suoraan huipulle nostamalla ensin plasman tiheyttä ja lisäämällä sitten lämpöä. Uusi kartta näyttää paremman tavan saavuttaa huippu: plasman lämmittäminen ensin ja sitten sen tiheyden nostaminen, kun se on kuumaa.

Matemaattisesti ilmaistuna päivitetty syttymisreitti kulkee Cordeyn satulan kautta. Se on harjanteen alin kohta, joka erottaa ulkoista lämmitystä vaativan plasman itsestään palavasta plasmasta. Tutkimusryhmä vertaili eri reittejä käyttämällä Q-nimistä suuretta, joka on tuotetun fuusiotehon suhde syötettyyn lämmitystehoon.

Idea muistuttaa äskettäin selvitettyä Hannibalin reittiä sotanorsuineen Alppien yli Rooman valtakuntaan. Reitiksi valikoitui se jolla sotanorsut menettivät vähiten rasvakudostaan. Hannibalin matematiikka lienee perustunut paikallisten oppaiden tietämykseen.

PPPL:n tutkimus voisi sen sijaan muuttaa tapaa, jolla tietyt fuusiojärjestelmät, jotka tunnetaan tokamakina, ja stellaraattorina on suunniteltu ja rakennettu. Tutkimuksen vahvuus on siinä, että se yhdistää useita vaikutuksia yhteen malliin samanaikaisesti. Aiemmissa töissä niitä on käsitelty yksi kerrallaan.

Tutkimus on teoreettinen, eli se perustuu laskelmiin eikä mittauksiin, koska yksikään koe ei tällä hetkellä saavuta Cordeyn solan lämpötiloja. Mutta tiimi suunnittelee digitaalisia kokeita testatakseen lämpö-ensin -reittiä.

"Vaikka lisätutkimuksia tarvitaan, olemme innoissamme näistä tuloksista, ja ne viittaavat selkeään etenemissuunnitelmaan tulevaisuuden tutkimukselle tällä alalla", Menard sanoi.

Aiheesta aiemmin:

Miten aurinkoa kuumemmat materiaalit johtavat sähköä

Ratkaisuja fuusiotekniikan haasteisiin

Läpinäkyvää suojausta ja magneettisuuden piilottamista