Hiina tuumasünteesireaktori EAST töörühmal õnnestus seljatada aastakümneid uurijaid kammitsenud teoreetiline takistus, mida tuntakse Greenwaldi piirina. Kasutatud meetod võiks hoida plasmat stabiilsena ka tuleviku hiiglaslikes tuumasünteesireaktorites nagu ITER.
Tuumasünteesi käigus liituvad kerged aatomid rasketeks, vabastades tohutul hulgal puhast energiat. Samal viisil vallandub energia ka tähtedel. Päikest jäljendavates maapealsetes reaktorites ehk tokamakides hoitakse ülikuuma kütust ehk plasmat paigal võimsate magnetväljadega. Reaktsioonist päriselt kasu lõikamiseks peab olema plasmatihedus aga väga kõrge. Seni on teadlasi piiranud lihtne matemaatiline seaduspära: kui plasma läheb liiga tihedaks, muutub see ebastabiilseks ja kogu protsess lakkab.
Hiina teadlaste värske uuring osutav, et sellest tiheduslaest on võimalik siiski läbi murda. Jiaxing Liu Huazhongi teadus- ja tehnikaülikoolist saavutas kolleegidega EAST reaktori plasmatiheduse, mis ületas nn Greenwaldi piiri paiguti kuni 1,65 korda. Varem peeti sellist saavutust tokamak-tüüpi seadmete puhul peaaegu võimatuks.
Saavutus sai teoks tänu uuele teoreetilisele raamistikule (PWSO), mis puudutab plasma ja reaktori seina vahelist iseregulatsiooni. Selle teooria kohaselt on võimalik saavutada niinimetatud tiheduspiiranguta režiim. See tähendab, et plasma püsib stabiilsena ka tiheduse kasvades, eeldusel, et plasma ja reaktori siseseina vahelist vastastikmõju suudetakse täpselt ohjata.
Praktikas kasutasid teadlased selleks kõrge võimsusega mikrolaineid ja täpset gaasirõhu regulatsiooni. Lähenemine aitas hoida kütuse algtemperatuuri tavapärasest kõrgemana ja vähendas saasteainete ehk lisandite teket, mis tavaliselt reaktori seintelt plasma sekka paiskuvad. Kuna lisandeid oli vähem, jäi plasma stabiilseks ka juhul, kui kütusena kasutatud vesiniku rasket isotoopi deuteeriumi üha rohkem kokku suruti.
Tulevikumuusika
Uuringu kaasautori Ping Zhu sõnul sillutab saavutus teed praktilisele lahendusele, kuidas hoida plasma piisavalt tihedana ka tuleviku reaktorites, kus toimub juba pikaajaline ja iseennast toitev tuumasüntees.
Hiinas Hefei linnas asuv EAST on maailma esimene tokamak, mille kõik magnetsüsteemid on valmistatud ülijuhtivatest materjalidest. Hiinlased loodavad sellega rahvusvahelise koostöö raames lahendada ennetavalt probleeme, millega hakkab tulevikus rinda pistma Prantsusmaale rajatav rahvusvaheline suurprojekt ITER. Mõlema seadme magnetväli ja plasma kuju on seetõttu sarnased.
Tuumasünteesi suurim väljakutse on olnud seotud üheaegselt tarviliku temperatuuri, tiheduse ja stabiilsuse hoidmisega, millele raamistik nüüd võimalikku lahendust pakub. Lisaks võib osutuda saavutus oluliseks ka majanduslikus mõttes. Cornelli Ülikooli tuumainsener David Hammer märkis väljaandele NatureNews, et see võimaldab tõsta reaktorite võimsust ilma, et tuleks kulutada miljardeid dollareid ülivõimsate magnetite väljatöötamiseks.
Töörühma järgmine suur eesmärk on katsetada uut meetodit režiimis, kus reaktor töötab oma täisvõimsuse lähedal. See tähendab, et edaspidi soovitakse hoida plasmat väga tihedana ka siis, kui see on palju kuumem ning kütuseosakesed liiguvad kiiremini. Piltlikult öeldes kontrolliti praeguste katsetega, kas uus meetod töötab seadme tühikäigul ehk 250-kiloamprise voolutugevuse korral. Siht on tõestada lahenduse toimimist ka siis, kui reaktor töötab täisvõimsusel ja voolutugevus on veel neli korda suurem.
Töörühm kirjeldab saavutust ajakirjas Science Advances.