Uma nova lei fundamental que desbloqueia as limitações da energia de fusão

Físicos da EPFL, em uma grande colaboração europeia, revisaram uma das leis fundamentais que foram estabelecidas[{” attribute=””>plasma and fusion research for over three decades, even governing the design of megaprojects like ITER. The update demonstrates that we can actually safely utilize more hydrogen fuel in fusion reactors, and therefore obtain more energy than previously thought.

Fusion is one of the most promising future energy sources . It involves two atomic nuclei merging into one, thereby releasing enormous amounts of energy. In fact, we experience fusion every day: the Sun’s warmth comes from hydrogen nuclei fusing into heavier helium atoms.

There is currently an international fusion research megaproject called ITER that seeks to replicate the fusion processes of the Sun to create energy on the Earth. Its goal is to generate high-temperature plasma that provides the right environment for fusion to occur, producing energy.

Plasmas — an ionized state of matter similar to a gas – are made up of positively charged nuclei and negatively charged electrons, and are almost a million times less dense than the air we breathe. Plasmas are created by subjecting “the fusion fuel” – hydrogen atoms – to extremely high temperatures (10 times that of the core of the Sun), forcing electrons to separate from their atomic nuclei. In a fusion reactor, the process takes place inside a donut-shaped (“toroidal”) structure called a “tokamak.”

The tokamak thermonuclear fusion reactor at Swiss Plasma Center. Credit: Alain Herzog (EPFL)

“In order to create plasma for fusion, you have to consider three things: high temperature, high density of hydrogen fuel, and good confinement,” says Paolo Ricci at the Swiss Plasma Center, one of the world’s leading research institutes in fusion located at École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL).

Working within a large European collaboration, Ricci’s team has now released a study updating a foundational principle of plasma generation – and showing that the upcoming ITER tokamak can actually operate with twice the amount of hydrogen and therefore generate more fusion energy than previously thought.

“One of the limitations in making plasma inside a tokamak is the amount of hydrogen fuel you can inject into it,” says Ricci. “Since the early days of fusion, we’ve known that if you try to increase the fuel density, at some point there would be what we call a ‘disruption’ – basically you totally lose the confinement, and plasma goes wherever. So in the eighties, people were trying to come up with some kind of law that could predict the maximum density of hydrogen that you can put inside a tokamak.”

A resposta veio em 1988, quando o cientista de fusão Martin Greenwald publicou uma famosa lei relacionando a densidade do combustível ao pequeno raio do tokamak (o raio do círculo interno de um donut) e a corrente que flui no plasma dentro do tokamak. Desde então, o “limite de Greenwald” tornou-se um princípio fundamental da pesquisa de fusão. De fato, a estratégia do ITER para construir o tokamak é baseada nisso.

Ritchie explica: “Greenwald deriva a lei empiricamente, e isso é inteiramente a partir de dados empíricos – não uma teoria testada, ou o que chamamos de ‘primeiros princípios’.” No entanto, o limite funcionou bem na pesquisa. E em alguns casos, como o DEMO (o sucessor do ITER), essa equação é um grande limite para sua operação porque diz que você não pode aumentar a densidade do combustível acima de um determinado nível.”

Trabalhando com as equipes de tokamak, o Swiss Plasma Center projetou um experimento onde tecnologia altamente avançada poderia ser usada para controlar com precisão a quantidade de combustível injetada no tokamak. Os testes em massa foram conduzidos no maior tokamak do mundo, o Joint European Tokamak (JET) no Reino Unido, bem como a atualização ASDEX na Alemanha (Max Planck Institute) e o tokamak TCV da EPFL. Este grande esforço experimental foi possibilitado pelo EUROfusion Consortium, a organização europeia que coordena a pesquisa de fusão na Europa e na qual a EPFL está agora envolvida através do Instituto Max Planck de Física de Plasma na Alemanha.

Ao mesmo tempo, Maurizio Giacomene, aluno de doutorado do grupo de Ricci, começou a analisar os processos físicos que limitam a densidade de tokamak, a fim de derivar uma lei de princípios elementares que pudesse relacionar a densidade do combustível ao volume de tokamak. Parte disso envolve o uso de uma simulação avançada de plasma usando um modelo de computador.

“As simulações aproveitam alguns dos maiores computadores do mundo, como os possibilitados pelo CSCS, o Centro Nacional Suíço de Supercomputação e o EUROfusion”, diz Ritchie. “E o que descobrimos, por meio de nossas simulações, é que, à medida que você adiciona mais combustível ao plasma, partes dele viajam da camada fria externa do tokamak, o limite, até seu núcleo, porque o plasma se torna mais turbulento. fios elétricos de cobre, que ficam mais resistentes quando aquecidos, o plasma se torna mais resistente quando esfria. Então, quanto mais combustível você coloca na mesma temperatura, partes dele esfriam – e mais difícil é para a corrente fluir no plasma, o que pode levar à turbulência.”

Este foi um desafio para simular. “Turbulência em um fluido é, na verdade, a questão em aberto mais importante na física clássica”, diz Ritchie. “Mas a turbulência no plasma é mais complexa porque você também tem campos eletromagnéticos.”

No final, Ritchie e seus colegas conseguiram decifrar o código e colocar “caneta no papel” para derivar uma nova equação para o limite máximo de combustível no tokamak, que se alinha bem com os experimentos. Publicado na revista Cartas de Revisão Física Em 6 de maio de 2022, faz jus à fronteira de Greenwald, aproximando-se dela, mas modernizando-a de maneira importante.

A nova equação assume que o limite de Greenwald pode ser aumentado aproximadamente duas vezes em termos de combustível no ITER; Isso significa que tokamaks como o ITER podem realmente usar o dobro de combustível para produzir plasma sem se preocupar com turbulência. “Isso é importante porque mostra que a intensidade que você pode alcançar em um tokamak aumenta com a potência necessária para executá-lo”, diz Ritchie. “Na verdade, o DEMO operará com uma potência muito maior do que os tokamaks atuais e o ITER, o que significa que você pode adicionar mais densidade de combustível sem reduzir a produção, ao contrário da Lei de Greenwald. E isso é uma notícia muito boa.”

Referência: “Primeiros princípios do medidor de limite de densidade tokamak baseado no transporte turbulento de borda e seus reflexos no ITER” Por M. Giacomin, A. Pau, P. Ricci, O. Sauter, T. Eich, Equipe de Atualização ASDEX, Acionistas JET e TCV Equipe, 6 de maio de 2022, Cartas de Revisão Física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.185003

Lista de contribuidores

• Centro Suíço de Plasma EPFL
• Instituto Max Planck de Física de Plasma
• Equipe EPFL TCV
• Equipe de atualização ASDEX
• Colaboradores do JET

Financiamento: EUROfusion Consortium (Euratom Research and Training Programme), Swiss National Science Foundation (SNSF)