Kiinassa on rikottu plasman tiheydessä raja, jota on pidetty fuusioenergian tutkimuksessa vuosikymmeniä käytännössä ylittämättömänä. Asiasta kertoo Kiinan tiedeakatemia tiedotteessaan.
Täysin suprajohtavassa Experimental Advanced Superconducting Tokamak -reaktorissa eli EAST:issa suoritetussa kokeessa plasman tiheys onnistuttiin nostamaan selvästi tavallista korkeammalle tasolle siten, että plasma pysyi kuitenkin vakaana. Tulos tuo fuusioreaktion ylläpitämisen askeleen lähemmäs ja voi auttaa tulevia fuusiovoimaloita tuottamaan enemmän tehoa.
EAST:illa tutkijat saavuttivat tilan, jossa plasman vakaus ei enää romahda tiheyden kasvaessa. Tulos julkaistiin Science Advances -lehdessä. Havainto haastaa pitkään vallinneen käsityksen siitä, miten tokamak-tyyppisten reaktoreiden plasma käyttäytyy suurilla tiheyksillä.
Deuteriumin ja tritiumin välinen fuusioreaktio vaatii noin 13 kiloelektronivoltin eli noin 150 miljoonan kelvinin lämpötilan. Näissä olosuhteissa fuusioteho kasvaa plasman tiheyden neliössä.
Käytännössä tokamak-reaktoreilla tehtyjä kokeita on rajoittanut raja, jonka ylittäminen johtaa usein plasman epävakaisuuksiin. Tämä on ollut merkittävä este tehon kasvattamiselle.
Nyt osoitettiin, että raja ei ole ehdoton. Tutkimusta johtaneet Ping Zhu ja Ning Yan kehittivät reaktorille uuden korkean tiheyden käyttöstrategian. Sen avulla plasman tiheys voitiin nostaa selvästi perinteisten rajojen yli ilman, että tavallisesti kokeet päättävät häiriöt syntyivät.
Keskeinen taustateoria on niin sanottu plasma–seinämä-itseorganisoituminen eli PWSO-malli, jonka esittivät alun perin ranskalaiset tutkijat D. F. Escanden johdolla. Teorian mukaan tiheysrajat voivat menettää merkityksensä, jos plasman ja reaktorin metalliseinämien välinen vuorovaikutus asettuu tarkasti tasapainoon. Tällöin niin sanottu fysikaalinen sputrautuminen eli roiskuminen alkaa hallita plasman käyttäytymistä.
Kiinassa tehty koe antoi ensimmäisen kokeellisen vahvistuksen tälle teorialle. Tutkijat säätivät tarkasti polttoainekaasun alkupainetta ja käyttivät purkauksen käynnistysvaiheessa ECR-ionilähdettä lämmitykseen. Näin plasman ja seinämien välinen vuorovaikutus saatiin optimoitua jo alusta lähtien. Epäpuhtauksien kertyminen ja energiahäviöt vähenivät, ja plasman tiheyttä pystyttiin kasvamaan tasaisesti käynnistyksen loppua kohti.
Näissä olosuhteissa EAST siirtyi PWSO-teorian ennustamaan tilaan, jossa toiminta pysyi vakaana myös selvästi aiempien empiiristen rajojen yläpuolella. ”Tulokset viittaavat käytännölliseen ja skaalautuvaan tapaan laajentaa tiheysrajoja tokamakeissa ja seuraavan sukupolven palavan plasman fuusiolaitteissa”, professori Zhu sanoo tiedotteessa.
Tilaa Tekniikan Maailman uutiskirjeet
Tilaa TM-uutiskirje, niin pysyt ajan tasalla autoalan, teknologian ja tieteen uutisista!