Przełomowe odkrycie. Jesteśmy bliscy ujarzmienia fuzji jądrowej

Obejść szczyt zamiast go zdobywać

Naukowcy z Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) wskazali potencjalnie znacznie skuteczniejszy sposób na osiągnięcie zapłonu fuzji. Zapłon to moment, w którym reakcja sama się podtrzymuje bez dodatkowego podgrzewania. Z ich obliczeń wynika, że zmiana kolejności ogrzewania i sprężania plazmy może radykalnie obniżyć energię potrzebną do tego celu.

Od ponad 70 lat fizycy korzystają z reguły matematycznej zwanej kryterium Lawsona. Mówi ona, czy plazma jest dość gorąca i gęsta przez dość długi czas, by fuzja podtrzymała się sama. Nie mówi jednak, jak osiągnąć te warunki najskuteczniej.

Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono i Jonathan Menard z PPPL stworzyli pełniejszą wersję tego kryterium. Dodali do niej cztery czynniki, które wpływają na przebieg fuzji. Wytyczyli drogę do zapłonu, która może wymagać znacznie mniej energii niż inne podejścia. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Physical Review Letters.

Badanie dotyczy plazmy. Często nazywa się ją czwartym stanem skupienia. Powstaje, gdy gaz ma tyle energii, że jego cząstki zyskują ładunek elektryczny. W reaktorach fuzyjnych to ekstremalnie gorąca materia z jądrami atomowymi, które badacze chcą połączyć. Połączenie jąder uwalnia energię. Celem jest tak zwana plazma płonąca. Reakcje fuzji dają w niej tyle ciepła, że nie trzeba już grzać jej z zewnątrz. Osiągnięcie tego stanu w skuteczny sposób to jedno z największych wyzwań.

Delgado-Aparicio porównuje odkrycie do znalezienia optymalniejsze trasy przy wspinaczce po paśmie górskim. Wyobraźmy sobie, że wymagania energetyczne zapłonu tworzą krajobraz z potężną górą. Cel leży po drugiej stronie. Dróg jest kilka. Podejście wielu stosowanych strategii można porównywać do próby wejścia prosto na szczyt. Najpierw zwiększana jest gęstość plazmy. Potem dostarcza się ogromną ilość ciepła.

Nowe obliczenia pokazują, że zamiana kolejności może być korzystniejsza. Najpierw można ogrzać plazmę, a dopiero potem ją zagęścić. Ta sekwencja omija najwyższe wymagania energetyczne i prowadzi do tych samych warunków. Delgado-Aparicio mówi wprost: "Wiele firm chce wejść na górę za wszelką cenę i zużywa na to ogromne pokłady energii. Ja mówię: obejdźcie szczyt - dotrzecie w to samo miejsce znacznie sprytniej i zużyjecie o wiele mniej energii."

Badacze wskazali szczególnie ważne miejsce w tej termonuklearnej układance. Nazywa się je siodłem Cordeya. W geografii siodło to niska przełęcz między wyższymi szczytami. W fizyce fuzji to stosunkowo łatwo dostępny punkt na granicy. Po jednej stronie leży plazma, która wciąż potrzebuje grzania z zewnątrz. Po drugiej jest plazma zdolna sama podtrzymać reakcję fuzji.

Drogi oceniano miarą o nazwie Q. Porównuje ona moc z reakcji fuzji z mocą zewnętrznego grzania. Q równe 5 oznacza, że fuzja daje pięć razy więcej mocy niż system grzewczy. W idealnej plazmie siodło wypada przy Q około 5. Zanieczyszczenia i silne pola magnetyczne przesuwają to miejsce i podnoszą potrzebne Q.

Badacze uwzględnili cztery dodatkowe czynniki. Pierwszy to popiół helowy. Zużyte paliwo rozcieńcza resztę i obniża wyniki. Drugi to zanieczyszczenia z materiałów wyściełających reaktor. Trzeci to promieniowanie synchrotronowe, czyli energia unoszona przez elektrony w polu magnetycznym. Czwarty to utrata ciepła, która rośnie z temperaturą.

Największe zaskoczenie dotyczy wolframu. To metal odporny na ciepło, wybrany na ściany ponad tuzina nowych maszyn fuzyjnych. Domieszka na poziomie jednej części na 10 tys. może podwoić ciśnienie potrzebne do zapłonu.

Pomysł "najpierw ciepło" nie został jeszcze sprawdzony w doświadczeniu. To na razie teoria, którą zespół PPPL chce testować w symulacjach komputerowych.