新しい法律は統合の制限を破る

EPFLの物理学者は、ヨーロッパの主要な共同研究で、30年以上にわたってプラズマと核融合の研究の中心であり、ITERのようなメガプロジェクトの設計さえも統治してきた基本法の1つを改訂しました。 このアップデートは、核融合炉で実際により多くの水素燃料を安全に使用できることを示しており、これにより、以前考えられていたよりも多くのエネルギーを得ることができます。

核融合は、将来のエネルギーの最も有望な源の1つです。 これには、1つの原子核に結合する2つの原子核が含まれているため、大量のエネルギーが放出されます。 実際、私たちはテストしています 融合 毎日：太陽の暖かさから来る 水素原子核 より重いヘリウム原子への融合。

現在、ITERと呼ばれる大規模な国際核融合研究プロジェクトがあります。これは、太陽の核融合プロセスを再現して地球上にエネルギーを生成することを目的としています。 その目標は、核融合が起こり、エネルギーを生成するための適切な環境を提供する高温プラズマを生成することです。

プラズマ—イオン化された物質のガスのような状態—は、正に帯電した原子核と負に帯電した電子で構成され、私たちが呼吸する空気の100万分の1の密度です。 プラズマは「核融合燃料」を鎮圧することによって形成されます-水素原子—非常に高い温度（太陽のコアの温度の10倍）まで、電子をそれから分離させます 原子核。 このプロセスは、ドーナツ型の構造（「環状」）内で行われます。トカマク。 「」

EPFLにある核融合の分野で世界をリードする研究機関の1つであるスイスプラズマセンターのPaoloRicciは言います。

ガス流の時間追跡、トムソン散乱からの電子密度、放射強度、およびJET＃80823放電の磁気摂動。MARFEイベントは、ポイントXを超える測定放射の大幅な増加によって決定されます。MARFEの開始は、クローズドモード。これにより、最終的にプラズマの摂動が発生します。 赤い破線の垂直線は、MARFEの開始時刻tを表します。_M ≃20.9秒ロックモードの開始N=1は21.95秒で発生し、非アクティブ化時間は21.1秒です。 クレジット： 物理的レビューレター （2022）。 DOI：10.1103 / PhysRevLett.128.185003

ヨーロッパの主要な協力を得て、Ricciのチームは、プラズマ生成の基本原理を更新する研究を発表しました。これは、次のITERトカマクが実際に2倍の量の水素で動作し、以前考えられていたよりも多くの核融合力を生成できることを示しています。

「トカマク内でプラズマを作る際の制限の1つは、それに注入できる水素燃料の量です」とリッチー氏は言います。 「核融合の初期から、燃料の密度を上げようとすると、ある時点で「破壊」と呼ばれるものが発生することがわかっています。基本的には限界を完全に失い、プラズマが発生します。どこにいても。80年代、人々はトカマクの中に入れることができる水素の最大密度で予測できるある種の法則を考え出そうとしていました。」

核融合科学者のマーティン・グリーンウォルドが、燃料密度を小さなトカマク半径（ドーナツの内側の円の半径）とトカマク内部のプラズマに流れる電流に関連付ける有名な法則を発表した1988年に答えが出ました。 それ以来、「グリーンヴァルト限界」は核融合研究の中心的な信条になりました。 実際、トカマクを構築するためのITERの戦略はこれに基づいています。

「Greenwaldは経験的に法を導き出しました、そしてこれは完全にから 実験データ「これはテストされた理論ではなく、私たちが「第一原理」と呼んでいるものでもありません」とリッチーは説明します。しかし、限界は研究でうまく機能しました。また、DEMO（ITERの後継）のように、この方程式はほとんど燃料の強度を特定のレベル以上に上げることはできないと記載されているため、実行を制限します。」

スイスプラズマセンターは、トカマクチームと協力して、高度な技術を使用してトカマクに注入される燃料の量を正確に制御できる実験を設計しました。 大規模な試験は、世界最大のトカマクである英国の合同欧州トカマク（JET）と、ドイツのASDEXアップグレード（マックスプランク協会）およびEPFLのTCVトカマクで実施されました。 この主要な実験的取り組みは、ヨーロッパの核融合研究を調整するヨーロッパの組織であるEUROfusionコンソーシアムによって可能になり、EPFLは現在ドイツのマックスプランクプラズマ物理学研究所を通じて関与しています。

同時に、Maurizio Giacomene、Ph.D. リッチのグループの学生である彼は、燃料の密度をトカマクの体積に関連付けることができる第一原理法則を導き出すために、トカマクの密度を制限する物理的プロセスの分析を開始しました。 その一部には、コンピューターモデルを使用したプラズマの高度なシミュレーションの使用が含まれます。

「シミュレーションでは、CSCS、スイス国立スーパーコンピューティングセンター、EUROfusionによって実現されたものなど、世界最大級のコンピューターを利用しています」とRitchie氏は言います。 「そして、シミュレーションを通じてわかったことは、プラズマに燃料を追加すると、プラズマがより乱流になるため、プラズマの一部がトカマクの外側の冷たい層である境界からコアに移動することです。電気銅線は、加熱すると抵抗力が増し、冷却するとプラズマの抵抗力が増します。したがって、同じ温度で燃料を入れると、一部が冷え、電流が流れにくくなります。プラズマ、これは乱流につながる可能性があります。」

これはシミュレートするのが困難でした。 「流体の乱流は、実際には古典物理学で最も重要な未解決の問題です」とリッチー氏は言います。 「しかし、混乱は プラズマ 電磁界もあるのでもっと複雑です。」

結局、リッチーと彼の同僚は、コードを解読し、「紙にペン」を置いて、トカマクでの最大燃料制限の新しい方程式を導き出すことができました。これは、実験とよく一致しています。 で掲示されます 物理的レビューレター、それはそれに近づくことによってGreenwaldの限界に正義を行いますが、重要な方法でそれらを更新します。

新しい方程式は、グリーンワルドの限界がITERの燃料に関して約2倍に引き上げられることを前提としています。 これは、ITERのようなトカマクが乱流を心配することなくプラズマを生成するために実際に2倍の燃料を使用できることを意味します。 「これは、トカマクで達成できる強度が、それを実行するために必要なパワーとともに増加することを示しているため、重要です」とリッチー氏は言います。 実際、DEMOは既存のトカマクやITERよりもはるかに高い電力で動作します。つまり、さらに追加することができます。 燃料 Greenwaldの法則に反して、生産を制限しない密度。 これは非常に良いニュースです。」