Zapłon termojądrowy bez ogromnych wymogów dot. energii. Fizycy z Princeton opracowali nową metodę
Bez większego szumu medialnego przyjęto opublikowane jakiś czas temu wyniki prac badaczy z Uniwersytetu Princeton – a wydaje się, że niesłusznie, pracujący tam zespół fizyków rozwiązał bowiem problem składający się na główną przeszkodę przed masową adopcją fuzji termojądrowej jako źródła energii. Tą przeszkodą są naturalnie olbrzymie wymogi dot. zasilania, które pochłania wywołanie zjawiska fuzji, jego kontrolowanie i utrzymywanie w stabilnym stanie – czyniąc całe przedsięwzięcie energetycznie nieopłacalnym. Tymczasem badania przeprowadzone w tamtejszym Laboratorium Fizyki Plazmowej wskazują na możliwość osiągnięcia zapłonu termojądrowego przy znacząco niższych nakładach energetycznych niż dotąd.
Jak wiadomo, zapłon termojądrowy to stan, w którym plazma utrzymuje wysoką temperaturę dzięki własnym reakcjom fuzyjnym, bez dostarczania energii z zewnątrz. Nowa metoda jego wywołania opiera się na modyfikacji parametrów plazmy w tokamakach (kolistych urządzeniach, w których w pułapkach magnetycznych utrzymywana jest rozgrzana plazma, w której to z kolei zachodzą reakcje fuzji) w sposób przepisujący kolejność czynności prowadzących do zapłonu termojądrowego. Zamiast klasycznego podejścia polegającego na równomiernym podgrzewaniu całej objętości plazmy (czyli, w uproszczeniu, najpierw zagęszczać plazmę, a potem ją grzać), zespół fizyków z Princeton – Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono i Jonathan Menard – przyjął założenie odwrotne: najpierw rozgrzać, potem podnosić gęstość.
Zastosowali oni sekwencyjne impulsy o zróżnicowanej energii w celu precyzyjnego sterowania profilem gęstości plazmy i jej temperatury, co umożliwiło lokalne spełnienie kryterium Lawsona (tj. osiągnięcie dodatniego bilansu energetycznego w procesie fuzji jądrowej) przy mniejszym całkowitym zużyciu mocy. Dane z symulacji numerycznych oraz testów na urządzeniu NSTX-U wskazują, że w efekcie zastosowania nowej metody wymagana energia wejściowa spada o około 30–40% w porównaniu z wcześniejszymi modelami. Wdrożone przy jej zastosowaniu techniczne parametry obejmują pole magnetyczne na poziomie 1,5–2 T oraz gęstość plazmy rzędu 10^20 m^-3, przy czym czas utrzymania energii wydłuża się dzięki redukcji strat przez promieniowanie hamowania.
Odwrotna droga do termojądrowej fuzji
W praktyce oznacza to, że dotychczasowe ograniczenia krępujące adopcję fuzji termojądrowej, a wynikające z zapotrzebowania na potężne źródła zasilania, mogą zostać częściowo rozwiązane – jakkolwiek te ostatnie wciąż będą konieczne w celu utrzymania stabilności plazmy przez co najmniej kilka sekund. Eksperymenty nie wykazały także powtarzalnego, dodatniego uzysku energetycznego, zaś metoda jako taka nie eliminuje również innych problemów, takich jak kwestia obecności popiołu helowego, utrzymania spoistości plazmy pomimo efektów ubocznych reakcji lub zapewnienia wytrzymałości materiałów tworzących ściany komór tokamaków – choć rozwiązania tych także są opracowywane.
Mimo teoretycznych zastrzeżeń, badania fizyków z Princeton otwierają drogę do poradzenia sobie z jednym z najbardziej uciążliwych problemów, przez które energia termojądrowa wciąż pozostaje – wyjąwszy nieliczne póki co wyjątki – zagadnieniem teoretycznym lub eksperymentalnym.
