AMERIČKI znanstvenici otkrili su zašto se fuzijske reakcije u reaktorima često raspadaju i prekidaju.

Novo istraživanje objavljeno u časopisu AIP Physics of Plasmas pokazalo je da se silnice moćnih magnetskih polja iskrivljuju poput špageta. Rezultat je to niza matematičkih modeliranja kompleksnih gibanja vruće plazme u magnetskim poljima kakva se koriste u fuzijskim eksperimentima.

To znači da plazma zagrijana na izuzetno visoke temperature koja se nastoji zarobiti snažnim magnetskim poljima u fuzijskim reaktorima - tokamacima ponekad uspijeva pobjeći i doći u kontakt sa stijenkama reaktora zbog čega nastaju oštećenja na reaktoru i prekidi reakcije.

Fuzija je već desetljećima projekt za budućnost

Fuzija, je proces spajanja lakših atoma u teže, primjerice dvaju izotopa vodika u helij. U tom procesu ukupna masa novonastalih proizvoda fuzije manja je od zbroja masa atoma koji su ušli u fuziju. Ova razlika u masi, prema Einsteinovoj slavnoj jednadžbi E = mc², pretvara se u energiju. Kako je c brzina svjetlosti, a ona je golema, c² je veliki faktor iz kojeg proizlazi da je za stvaranje velike energije dovoljna mala masa.  

Dakle, fuzijom se iz malih količina atoma može dobiti golema energija i to čista jer su u igri izotopi vodika, a proizvod je helij, dakle neradioaktivno gorivo, za razliku od urana koji se koristi u fisiji. Zbog ovih svojstava fuzija bi trebala postati energijom budućnosti.

Znanstvenici stoga već desetljećima pokušavaju ostvariti postojane fuzijske reakcije. No taj proces pokreće se tek u ekstremnim uvjetima.Najveći tehnološki izazov fuzije je to što se gorivo mora moći dobro kontrolirati na golemim temperaturama, dakle u uvjetima koji su slični onima u središtu Sunca. Njih nije problem ostvariti u nuklearnoj eksploziji jer je njezina svrha razaranje, no problem je učiniti to u kontroliranim uvjetima i dugotrajno što je nužno za stvaranje energije u termoelektranama. Primjerice, temperatura u srcu plazme u eksperimentima s fuzijom kreće se oko 150 milijuna stupnjeva Celzija, što je oko 10 puta veća temperatura od one u središtu Sunca. Na tako velikim temperaturama atomi vodika imaju dovoljnu kinetičku energiju, odnosno dovoljno veliku brzinu kako bi se približili da bi moglo doći do fuzije, odnosno do spajanja jezgri pod djelovanjem jake nuklearne sile

Što je pokazalo novo istraživanje?

Jedan od vodećih tipova reaktora koji se koriste za fuzijske reakcije je tokamak. To je uređaj čiji spremnik ima oblik američke krafne s rupom. On koristi snažne magnete za kontrolu kružnog toka supervruće plazme u kojoj može doći do fuzije. No, nažalost, tokamaci su skloni naglom i teško objašnjivom padu topline.

Naš nuklearni fizičar s Instituta Ruđer Bošković dr. sc. Tonči Tadić kaže da su ti procesi nelinearni i teško predvidivi.

"Primjerice H-mode ili 'High compression mode' tj. povoljna kombinacija magnetskih polja koja omogućavaju sabijanje plazme nužno za pokretanje fuzije, otkriven je posve slučajno u Njemačkoj krajem 1980-ih. Danas je H-mode uobičajen na najvećem europskom tokamaku JET u Oxfordshireu u UK, a H-mode će biti korišten i na najvećem svjetskom fuzijskom reaktoru ITER-u, vrijednom 15 milijardi Eura, koji se gradi u Cadaracheu u Francuskoj. No ni H-mode nije bez problema. Naime, sabijanje plazme može dovesti do neželjenih izboja zvanih 'Edge Localized mode' ili ELM. Njihova struktura slična je protuberancama ili bakljama na površini Sunca, što je posve logično jer u fuziji i jest cilj dobiti komad Sunca na Zemlji. No kako ni protuberance na Suncu nisu predvidive, tako ni ELM-ove nije lako predvidjeti, iako mogu dovesti do jakog oštećenja stijenki fuzijskog reaktora. Novo američko istraživanje pruža nadu da će se ELM-ovi moći predvidjeti", tumači Tadić.

3D model otkrio špagetizaciju silnica

U novom istraživanju znanstvenici iz Laboratoriju za fiziku plazme (PPPL) u SAD-u razvili su 3D model neuređenih silnica magnetskog polja kako bi vidjeli na koji način njihov oblik utječe na reakciju. Do sada su se u sličnim studijama koristi previše pojednostavljeni, jednodimenzionalni modeli silnica.

3D model nije bilo lako razumjeti zbog složenih interakcija koje se odvijaju između električnih i magnetskih polja u reaktoru. No tim s PPPL-a je za dešifriranje zbivanja razvio poseban kod za simulaciju kretanja čestica plazme.

Rezultati su pokazali da su se u silnicama magnetskog polja u tokamaku oblikovali sićušni brežuljci koji česticama plazme omogućuju da pobjegnu iz poljem ograničenog prostora i udare o stijenke reaktora uz ogromne količine toplinske energije.

"Postojanje ovih brežuljaka odgovorno je za brzi pad temperature, takozvano termalno gašenje, budući da omogućuju brojnim česticama da pobjegnu do stijenki tokamaka", rekao je u priopćenju PPPL-a Min-Gu Yoo, autor studije koja opisuje 3D modeliranje.

"Ono što smo pokazali u radu je kako nacrtati dobru kartu za razumijevanje topologije silnica polja", dodao je.

Yoov suradnik, fizičar Weixing Wang, rekao je:

"U slučaju velikog poremećaja, linije silnica polja postaju potpuno poremećene poput špageta i brzo se u različitim duljinama spajaju na stijenke."

Identificiranje ovih brežuljaka u silnicama magnetskog polja važan je korak koji bi trebao omogućiti izbjegavanje poremećaja tj. EML-ova u plazmi. To bi omogućilo stabilno i mirno odvijanje reakcija fuzije tijekom duljeg vremenskog razdoblja, što je ključni čimbenik za korištenje energije fuzije za stvaranje električne energije.

Tadić kaže da cilj razvoja fuzijske tehnologije nije spektakularna proizvodnja fuzijske energije koja završava spektakularnim izbojem plazme i uništenjem fuzijskog reaktora, nego stabilan rad fuzijskog reaktora temeljen na stabilnom kretanju vruće fuzijske plazme, što pak jamči stabilan i dugotrajan rad fuzijske elektrane.