Undang-undang baru melanggar pembatasan integrasi

Fisikawan di EPFL, dalam kolaborasi besar Eropa, telah merevisi salah satu hukum dasar yang telah menjadi pusat penelitian plasma dan fusi selama lebih dari tiga dekade, bahkan mengatur desain megaproyek seperti ITER. Pembaruan menunjukkan bahwa kita sebenarnya dapat dengan aman menggunakan lebih banyak bahan bakar hidrogen dalam reaktor fusi, sehingga mendapatkan lebih banyak energi daripada yang diperkirakan sebelumnya.

Fusi adalah salah satu sumber energi masa depan yang paling menjanjikan. Ini mencakup dua inti atom yang bergabung menjadi satu inti, sehingga melepaskan sejumlah besar energi. Faktanya, kami sedang menguji fusi Setiap hari: berasal dari hangatnya matahari inti hidrogen Fusi menjadi atom helium yang lebih berat.

Saat ini ada proyek penelitian fusi internasional besar-besaran yang disebut ITER, yang bertujuan untuk mereplikasi proses fusi Matahari untuk menghasilkan energi di Bumi. Tujuannya adalah untuk menghasilkan plasma suhu tinggi yang menyediakan lingkungan yang tepat untuk terjadinya fusi, dan untuk produksi energi.

Plasma – keadaan seperti gas dari materi terionisasi – terdiri dari inti bermuatan positif dan elektron bermuatan negatif, dan satu juta kali lebih padat daripada udara yang kita hirup. Plasma dibentuk dengan menundukkan ‘bahan bakar fusi’ –atom hidrogen—ke suhu yang sangat tinggi (10 kali suhu inti Matahari), memaksa elektron untuk berpisah darinya inti atom. Proses berlangsung dalam struktur berbentuk donat (“annular”) yang disebuttokamak. “

Kata Paolo Ricci di Swiss Plasma Center, salah satu lembaga penelitian terkemuka dunia di bidang fusi yang berlokasi di EPFL.

Dengan kolaborasi besar Eropa, tim Ricci kini telah merilis sebuah penelitian untuk memperbarui prinsip dasar pembangkitan plasma – dan untuk menunjukkan bahwa tokamak ITER yang akan datang benar-benar dapat beroperasi dengan jumlah hidrogen dua kali lipat dan dengan demikian menghasilkan lebih banyak kekuatan fusi daripada yang diperkirakan sebelumnya.

“Salah satu batasan dalam membuat plasma di dalam tokamak adalah jumlah bahan bakar hidrogen yang dapat Anda injeksikan ke dalamnya,” kata Ritchie. “Dari hari-hari awal fusi, kami tahu bahwa jika Anda mencoba meningkatkan kepadatan bahan bakar, pada titik tertentu akan ada apa yang kami sebut ‘gangguan’ – Anda pada dasarnya kehilangan batas sepenuhnya, dan plasma menghilang. di mana pun itu. Pada tahun 80-an, orang-orang mencoba membuat semacam hukum yang bisa memprediksi Dengan densitas maksimum hidrogen yang bisa Anda masukkan ke dalam tokamak.”

Jawabannya datang pada tahun 1988, ketika ilmuwan fusi Martin Greenwald menerbitkan hukum terkenal yang menghubungkan kepadatan bahan bakar dengan jari-jari tokamak kecil (jari-jari lingkaran dalam donat) dan arus yang mengalir dalam plasma di dalam tokamak. Sejak itu, “batas Greenwald” telah menjadi prinsip utama penelitian fusi; Faktanya, strategi pembangunan tokamak ITER didasarkan pada ini.

“Greenwald menurunkan hukum secara empiris, yaitu dari data eksperimental“Ini bukan teori yang teruji, atau yang kami sebut ‘prinsip pertama’,” jelas Ritchie. Namun, batasannya bekerja dengan baik dalam penelitian. Dan dalam beberapa kasus, seperti DEMO (penerus ITER), persamaan ini cukup banyak batas untuk menjalankannya karena itu menyatakan bahwa Anda tidak dapat meningkatkan intensitas bahan bakar di atas level tertentu. ”

Bekerja sama dengan tim tokamak, Pusat Plasma Swiss merancang eksperimen di mana teknologi yang sangat canggih dapat digunakan untuk mengontrol jumlah bahan bakar yang disuntikkan ke dalam tokamak dengan tepat. Uji coba besar-besaran dilakukan di tokamak terbesar di dunia, Joint European Tokamak (JET) di Inggris, serta peningkatan ASDEX di Jerman (Max Planck Institute) dan tokamak TCV EPFL. Upaya eksperimental besar ini dimungkinkan oleh Konsorsium EUROfusion, organisasi Eropa yang mengoordinasikan penelitian fusi di Eropa dan di mana EPFL sekarang terlibat melalui Institut Max Planck untuk Fisika Plasma di Jerman.

Sementara itu, Maurizio Giacomene, Ph.D. Seorang siswa dalam kelompok Ricci, ia mulai menganalisis proses fisik pembatas kepadatan di tokamak, untuk mendapatkan hukum prinsip pertama yang dapat menghubungkan massa jenis bahan bakar dengan volume tokamak. Bagian dari itu melibatkan penggunaan simulasi plasma lanjutan menggunakan model komputer.

“Simulasi memanfaatkan beberapa komputer terbesar di dunia, seperti yang dimungkinkan oleh CSCS, Pusat Superkomputer Nasional Swiss, dan EUROfusion,” kata Ritchie. “Dan apa yang kami temukan, melalui simulasi kami, adalah saat Anda menambahkan lebih banyak bahan bakar ke plasma, sebagian darinya bergerak dari lapisan luar dingin tokamak, batas, ke intinya, karena plasma menjadi lebih turbulen. Kemudian, tidak seperti kabel tembaga listrik, yang menjadi lebih tahan saat dipanaskan, plasma menjadi lebih tahan saat didinginkan. Jadi, semakin banyak bahan bakar yang Anda masukkan ke dalamnya pada suhu yang sama, sebagian menjadi dingin—dan semakin sulit arus mengalir di plasma, yang dapat menyebabkan turbulensi.”

Ini adalah tantangan untuk disimulasikan. “Turbulensi dalam fluida sebenarnya adalah masalah terbuka yang paling penting dalam fisika klasik,” kata Ritchie. “Tapi gejolak di plasma Lebih rumit karena Anda juga memiliki medan elektromagnetik.”

Pada akhirnya, Ritchie dan rekan-rekannya mampu memecahkan kode dan meletakkan “pena di atas kertas” untuk mendapatkan persamaan baru untuk batas bahan bakar maksimum di tokamak, yang sejalan dengan eksperimen. Diposting di Surat Tinjauan Fisikitu sesuai dengan batas Greenwald, dengan mendekatinya, tetapi memperbaruinya dengan cara yang penting.

Persamaan baru mengasumsikan bahwa batas Greenwald dapat dinaikkan kira-kira dua kali dalam hal bahan bakar di ITER; Artinya, tokamaks seperti ITER benar-benar dapat menggunakan bahan bakar dua kali lebih banyak untuk memproduksi plasma tanpa mengkhawatirkan turbulensi. “Ini penting karena menunjukkan bahwa intensitas yang dapat Anda capai dalam tokamak meningkat seiring dengan kekuatan yang Anda butuhkan untuk menjalankannya,” kata Ritchie. Faktanya, DEMO akan berjalan dengan daya yang jauh lebih tinggi daripada tokamaks dan ITER yang ada, yang berarti Anda dapat menambahkan lebih banyak bahan bakar Kepadatan tanpa membatasi produksi, bertentangan dengan hukum Greenwald. Ini adalah berita yang sangat bagus.”