Moc reaktora można podwoić (po zmianie ustawy zasadniczej)

Synteza jądrowa jest jednym z najbardziej obiecujących źródeł energii na przyszłość, zwłaszcza w kontekście kryzysu klimatycznego. Fizycy z EPFL (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne), w ramach szerokiej współpracy europejskiej, zrewidowali jedno z podstawowych praw syntezy jądrowej, zwane „Granicą Greenwalda”. Przez trzy dekady prawo to stanowiło podstawę badań nad plazmą i syntezą termojądrową, regulując nawet projektowanie gigantycznych projektów, takich jak Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termojądrowy (ITER). Zespół fizyków odkrył, że możliwe jest podwojenie ilości wodoru wstrzykiwanego do reaktora termojądrowego, aby wytworzyć dwa razy więcej energii. To odkrycie zmienia granice fuzji, gdy niektórzy eksperci tak uważają pierwsze reaktory W zastosowaniach przemysłowych będzie to opłacalne dopiero od 2040 do 2050 roku.

The fuzja nuklearna Polega na scaleniu dwóch jąder atomowych w jedno jądro, co prowadzi do uwolnienia dużej ilości energii. To jest proces, który zachodzi w słońcu. Tak więc ciepło pochodzi z fuzji jąder wodoru w atomy helu, które są cięższe.

We Francji, w departamencie Bouches-du-Rhone, 35 krajów jest zaangażowanych w budowę największego tokamaka, jaki kiedykolwiek zbudowano, w ramach projektu ITER. Tokamak to eksperymentalna maszyna zaprojektowana do wykorzystania energii syntezy jądrowej. W pojemniku tokamaka energia z fuzji jąder atomowych w postaci ciepła jest pochłaniana przez ścianki komory próżniowej. Podobnie jak konwencjonalne elektrownie, elektrownia termojądrowa będzie wykorzystywać to ciepło do produkcji pary, a następnie, dzięki turbinom i generatorom prądu przemiennego, wykorzystywać energię elektryczną.

ITER ma na celu zademonstrowanie, że fuzja – „energia gwiezdna” – może być wykorzystywana jako wielkoskalowe, wolne od CO2 źródło energii do produkcji energii elektrycznej. Jego głównym celem jest stworzenie wysokotemperaturowej plazmy, która zapewnia idealne środowisko do syntezy jądrowej w celu wytworzenia energii. Wyniki programu naukowego ITER będą miały kluczowe znaczenie dla otwarcia drogi dla przyszłych elektrowni termojądrowych.

W ramach ciągłego doskonalenia tych reaktorów fizycy EPLF ujawnili, że możliwe jest całkiem bezpieczne wykorzystanie większej ilości wodoru, a tym samym uzyskanie większej ilości energii, niż było to możliwe, jak wcześniej sądzono. Ta zmiana limitu Greenwalda zostanie zastosowana do testów w reaktorze ITER, gdy będzie on działał. Nowe, zaktualizowane równanie dla tego limitu zostało opublikowane w czasopiśmie Fizyczne listy kontrolne.

Nowa granica dla tokamaków, przyszłych producentów czystej energii

Naukowcy pracowali od ponad 50 lat nad uzyskaniem kontrolowanej, opłacalnej fuzji. W przeciwieństwie do rozszczepienia jądrowego, które wytwarza energię poprzez pękanie bardzo dużych jąder atomowych, fuzja jądrowa może generować znacznie więcej energii, łącząc ze sobą bardzo małe jądra. Ponadto proces syntezy jądrowej wytwarza mniej odpadów radioaktywnych (prawie żadnych) niż rozszczepienie, które jest bogate w wodór. neutronystosowany jako paliwo, jest stosunkowo łatwy do zdobycia.

Jak wspomniano wcześniej, reakcja jądrowa jest tutaj identyczna z reakcją zachodzącą wewnątrz Słońca przy użyciu atomów wodoru. Jednak na Ziemi ciśnienie panujące w jądrze gwiazdy nie jest powtarzalne. To ciśnienie jest niezbędne do przekształcenia wodoru w plazmę – ośrodek, w którym atomy wodoru mogą się ze sobą łączyć i generować energię. Dlatego konieczne jest podniesienie temperatury gazów 10 razy wyższej niż temperatura słońca, czyli około 150 milionów stopni Celsjusza.

W efekcie w rdzeniu tokamaka, składającym się z pierścieniowej komory próżniowej, pod wpływem ekstremalnej temperatury i ciśnienia gazowy wodór zamienia się w plazmę. W obudowie energia z fuzji jąder atomowych jest pochłaniana w postaci ciepła przez ścianki komory próżniowej. Niezwykle silne pola magnetyczne są wykorzystywane do ograniczania i kontrolowania plazmy.

Wiele projektów dotyczących energii termojądrowej jest teraz na odpowiednim poziomie zaawansowany etap. Jednak ITER nie został zaprojektowany przede wszystkim do produkcji energii elektrycznej, ale do testowania limitów produkcyjnych i określania dokładnych warunków przeprowadzania tych reakcji syntezy jądrowej. Jednak tokamaki oparte na ITER, zwane reaktorami DEMO, są projektowane i mogą zacząć działać do 2050 r. w celu wytwarzania energii elektrycznej.

Paolo Ricci ze Swiss Plasma Center (EPFL), wyjaśnia w raport : « Aby wytworzyć plazmę termojądrową, należy wziąć pod uwagę trzy elementy: wysoką temperaturę, wysoką gęstość wodoru i dobre zamknięcie. Dlatego jednym z ograniczeń w produkcji plazmy w tokamaku jest ilość wodoru, jaką można do niego wstrzyknąć.W rzeczywistości im wyższa gęstość, tym trudniej utrzymać stabilność plazmy.

Dokładniej, im więcej paliwa jest wtryskiwane w tej samej temperaturze, tym wyższa jest temperatura niektórych części plazmy i tym trudniej jest w nich przepływać prąd, powodując turbulencje. Paolo Ricci wyjaśnia w prostych słowach: Całkowicie tracimy ochronę, a plazma nigdzie się nie udaje. W latach 80. próbowaliśmy znaleźć jakieś prawo, które pozwoliłoby nam przewidzieć maksymalną gęstość wodoru, jaką możemy wstrzyknąć do tokamaka. Został odkryty w 1988 roku przez fizyka Martina Greenwalda i ustalił związek między gęstością paliwa, małym promieniem tokamaka (promień wewnętrznego okręgu pierścienia) a prądem krążącym w plazmie wewnątrz Tokamak. , eksperymenty z tymi maszynami to potwierdziły „Granica Greenwalda”, która jest sercem strategii tworzenia ITER.

Historia plazmy

Naukowcy od dawna podejrzewali, że limit Greenwalda można poprawić. W celu sprawdzenia swojej hipotezy, we współpracy z zespołami z innych tokamaków, Swiss Plasma Center zaprojektowało i przeprowadziło rewolucyjny eksperyment, który umożliwił zastosowanie wysoce zaawansowanej technologii w celu precyzyjnego kontrolowania ilości paliwa wtryskiwanego do tokamaka. Przeprowadzono masowe próby na największych tokamakach na świecie, Joint European Ring (JET) w Wielkiej Brytanii, modernizacji ASDEX w Niemczech (Max Planck Institute) i tokamaku TCV w EPFL.

W tym samym czasie Maurizio Giacomen, doktorant z zespołu Paolo Ricciego, zaczął analizować procesy fizyczne, które ograniczają gęstość w tokamakach, w celu ustalenia fundamentalnego prawa, które pozwala powiązać gęstość paliwa z objętością tokamaka. Część tych prac obejmowała wykorzystanie zaawansowanych symulacji plazmy z wykorzystaniem modelu komputerowego.

Kluczem było odkrycie, że plazma może wspierać większą gęstość paliwa, jednocześnie zwiększając energię wyjściową reakcji syntezy jądrowej. Innymi słowy, tokamak taki jak ITER może skutecznie zużywać prawie dwa razy więcej paliwa do produkcji plazmy, bez obawy o zakłócenia. Paulo Ricci mówi: Wynik ten jest ważny, ponieważ pokazuje, że osiągalna gęstość tokamaka wzrasta wraz z energią wymaganą do jego obsługi. DEMO będzie działać przy znacznie większej mocy niż obecne tokamaki i ITER, co oznacza, że ​​można dodać większą gęstość paliwa bez zmniejszania produkcji, wbrew zamierzeniom prawa Greenwalda. I to bardzo dobra wiadomość ».

źródło : Fizyczne listy kontrolne