Hukum fundamental baru yang membuka batasan energi fusi

Fisikawan di EPFL, dalam kolaborasi besar Eropa, telah merevisi salah satu hukum dasar yang telah ditetapkan[{” attribute=””>plasma and fusion research for over three decades, even governing the design of megaprojects like ITER. The update demonstrates that we can actually safely utilize more hydrogen fuel in fusion reactors, and therefore obtain more energy than previously thought.

Fusion is one of the most promising future energy sources . It involves two atomic nuclei merging into one, thereby releasing enormous amounts of energy. In fact, we experience fusion every day: the Sun’s warmth comes from hydrogen nuclei fusing into heavier helium atoms.

There is currently an international fusion research megaproject called ITER that seeks to replicate the fusion processes of the Sun to create energy on the Earth. Its goal is to generate high-temperature plasma that provides the right environment for fusion to occur, producing energy.

Plasmas — an ionized state of matter similar to a gas – are made up of positively charged nuclei and negatively charged electrons, and are almost a million times less dense than the air we breathe. Plasmas are created by subjecting “the fusion fuel” – hydrogen atoms – to extremely high temperatures (10 times that of the core of the Sun), forcing electrons to separate from their atomic nuclei. In a fusion reactor, the process takes place inside a donut-shaped (“toroidal”) structure called a “tokamak.”

The tokamak thermonuclear fusion reactor at Swiss Plasma Center. Credit: Alain Herzog (EPFL)

“In order to create plasma for fusion, you have to consider three things: high temperature, high density of hydrogen fuel, and good confinement,” says Paolo Ricci at the Swiss Plasma Center, one of the world’s leading research institutes in fusion located at École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL).

Working within a large European collaboration, Ricci’s team has now released a study updating a foundational principle of plasma generation – and showing that the upcoming ITER tokamak can actually operate with twice the amount of hydrogen and therefore generate more fusion energy than previously thought.

“One of the limitations in making plasma inside a tokamak is the amount of hydrogen fuel you can inject into it,” says Ricci. “Since the early days of fusion, we’ve known that if you try to increase the fuel density, at some point there would be what we call a ‘disruption’ – basically you totally lose the confinement, and plasma goes wherever. So in the eighties, people were trying to come up with some kind of law that could predict the maximum density of hydrogen that you can put inside a 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 dasar penelitian fusi. Faktanya, strategi pembangunan tokamak ITER didasarkan pada ini.

Ritchie menjelaskan: “Greenwald memperoleh hukum secara empiris, dan ini sepenuhnya dari data empiris—bukan teori yang diuji, atau apa yang kita sebut ‘prinsip pertama’.” Namun, batasan tersebut bekerja dengan baik dalam penelitian. Dan dalam beberapa kasus, seperti DEMO (penerus ITER), persamaan ini merupakan batasan besar untuk operasinya karena dikatakan Anda tidak dapat meningkatkan densitas 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.

Pada saat yang sama, Maurizio Giacomene, seorang mahasiswa doktoral dalam kelompok Ricci, mulai menganalisis proses fisik yang membatasi densitas tokamak, untuk memperoleh hukum prinsip dasar yang dapat menghubungkan densitas 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 turbulensi dalam plasma lebih kompleks 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. Diterbitkan di majalah Surat Tinjauan Fisik Pada tanggal 6 Mei 2022, ia melakukan keadilan ke perbatasan Greenwald, dengan mendekatinya, tetapi memodernkannya 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 beroperasi pada daya yang jauh lebih tinggi daripada tokamaks dan ITER saat ini, yang berarti Anda dapat menambahkan lebih banyak kepadatan bahan bakar tanpa mengurangi output, tidak seperti Hukum Greenwald. Dan ini adalah berita yang sangat bagus.”

Referensi: “Prinsip pertama tokamak density limit meter berdasarkan turbulen edge transport dan refleksinya pada ITER” Oleh M. Giacomin, A. Pau, P. Ricci, O. Sauter, T. Eich, ASDEX Upgrade Team, JET Shareholders, dan TCV Tim , 6 Mei 2022, Surat Tinjauan Fisik.
DOI: 10.1103/ PhysRevLett.128.185003

Daftar kontributor

• Pusat Plasma Swiss EPFL
• Institut Max Planck untuk Fisika Plasma
• Tim EPFL TCV
• Tim Peningkatan ASDEX
• Kontributor untuk JET

Pendanaan: EUROfusion Consortium (Program Penelitian dan Pelatihan Eurotom), Swiss National Science Foundation (SNSF)