7 Minute
Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) din China, poreclit „soarele artificial”, a depășit un prag important în cercetarea fuziunii prin operarea dincolo de o limită de densitate a plasmei care a fost considerată de lungă durată restrictivă. Rezultatele, raportate de cercetători de la Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences și publicate în Science Advances, indică strategii noi pentru proiectarea reactoarelor de fuziune cu performanțe superioare. Această realizare are implicații directe pentru ingineria de reactor, managementul impurităților, designul componentelor care intră în contact cu plasma și optimizarea ciclurilor de funcționare pentru dispozitive bazate pe magneți supraconductori și operare pe durate lungi.
Depășirea plafonului de densitate: ce s-a schimbat
În tokamakuri, densitatea plasmei este esențială: cu cât plasma este mai densă, cu atât crește probabilitatea de reacții de fuziune per unitate de volum, ceea ce este crucial pentru realizarea unui bilanț energetic pozitiv. Totuși, majorarea densității tinde să provoace instabilități magneto-hidrodinamice și fenomene care determină plasma să lovească pereții vasului, pierzând astfel confinarea. Această limită empirică a fost adesea asociată cu limita Greenwald, o regulă practică care a influențat experimentele de confinare magnetică de zeci de ani. În practică, operatorii de tokamakuri au ajustat densitatea pentru a evita aceste întreruperi bruște, iar limita Greenwald a servit ca un reper conservator pentru siguranță și stabilitate.
Echipa EAST a pus sub semnul întrebării ipoteza conform căreia densitatea absolută este singurul factor care determină limita operațională. Studiile și măsurătorile detaliate au arătat că un alt element — contaminarea cu impurități — joacă un rol decisiv în declanșarea perturbărilor. În special, atomii de metale eliberați prin sputtering din stratul interior al vasului tokamakului influențează proprietățile la marginea plasmei (edge plasma), modificând pierderile de energie, radiația și condițiile locale de transport. Tungstenul (W), un metal dur folosit frecvent pentru componentele expuse la plasmă datorită rezistenței sale la temperaturi foarte mari și eroziune, a fost identificat ca o sursă majoră de contaminare care degradează comportamentul marginii plasmei și precipită evenimente disruptive. Aceste impurități metalice au efecte complexe: ele pot crește emisiile radiative în regiunea periferică, pot răci stratul marginal și pot modifica curenții de suprafață și profilele de temperatură, toate contribuind la pierderea stabilității.
Cum a domolit EAST impuritățile pentru a crește performanța
Cercetătorii au dezvoltat un model teoretic nou, denumit Boundary Plasma-Wall Interaction Self-Organization (PWSO), pentru a descrie modul în care marginea plasmei și materialele pereților interacționează și se auto-organizează în condiții diferite de funcționare. Modelul PWSO conceptualizează un set de feedback-uri nonliniare între fluxurile de particule, temperatura suprafeței, sputtering-ul materialelor și transportul în stratul periferic, evidențiind cum anumite regimuri de operare pot conduce la o stare stabilă cu fluxuri de impurități reduse, în timp ce altele generează escaladarea contaminării. PWSO oferă predictibilitate asupra parametrilor critici (cum ar fi gradientele de temperatură, potențialul electric la margine și condițiile de încărcare neutrină) care controlează tranzițiile între regimuri.
Ghidată de modelul PWSO, echipa a modificat secvența de pornire și profilul de încălzire pe EAST: au folosit încălzire prin rezonanță ciclotronică electronică (ECRH — electron cyclotron resonance heating) combinată cu o metodă de pornire prin gaz pre-încărcat pentru a modela forma plasmei la margine și a reduce influxul de tungsten. Această combinație a permis crearea unui strat periferic mai stabil, cu distribuții de densitate și temperatură care minimizează sputtering-ul mecanic și termic al materialului de sacadă. Ajustările au inclus reglaje fine ale puterii ECRH, temporizarea injecției de gaz, managementul curenților de plasmă și optimizarea configurației magnetice locale pentru a reduce expunerea directă a zonelor sensibile de material la fluxurile ionice intense. De asemenea, s-au folosit diagnostice avansate pentru a monitoriza în timp real conținutul de impurități, profilurile electronice și ionice, precum și emisiile de radiație vizibilă și în raze X care indică prezența tungstenului.
Odată cu controlul impurităților, EAST a intrat într-un regim pe care cercetătorii l-au descris ca o „zonă liberă de densitate” — un regim în care plasma poate atinge densități mai ridicate fără a declanșa evenimentele disruptive asociate limitei tradiționale. Datele experimentale au urmat îndeaproape predicțiile modelului PWSO, ceea ce consolidează ideea că impuritățile provenite din pereți, și nu doar densitatea absolută, pun de fapt limite practice operațiunilor. În practică, aceasta înseamnă că un tokamak curat la margine poate funcționa la densități utile mai mari, sporind rata reacțiilor de fuziune per volum și îmbunătățind câmpurile de parametri operaționali pentru confortul ingineresc. Validarea modelului a folosit un set extins de diagnoze (spectroscopie de emisie, analiză de impurități porținând masei, detectoare bolometrice și măsurători Thomson) pentru a confirma reducerea tungstenului și pentru a studia tranzițiile de regim.
De ce contează asta pentru dezvoltarea fuziunii
Controlul impurităților reprezintă o levier practic pentru proiectarea viitoarelor tokamakuri. Dacă managementul impurităților poate extinde fiabil densitatea utilizabilă, reactoarele ar putea produce mai multe reacții de fuziune pe unitatea de volum, ceea ce ar îmbunătăți eficiența energetică globală și ar aduce mai aproape conceptele de fuziune compacte și viabile din punct de vedere economic. Acest lucru este relevant atât pentru planificarea reactoarelor de demonstrație (DEMO) cât și pentru proiectele comerciale pe termen mediu. În plus, tehnicile de gestionare a impurităților pot reduce uzura componentelor expuse la plasmă, minimizând costurile de întreținere și prelungind durata de viață a componentelor critice cum ar fi divertorul și placările interne.
Deși fuziunea comercială rămâne un obiectiv pe termen lung cu multiple provocări tehnice și economice, constatările precum cele raportate pentru EAST rezolvă treptat probleme inginerești esențiale. În particular, aceste rezultate oferă indicații practice pentru dispozitivele de generație următoare care se bazează pe magneți supraconductori și operare pe pulsiuni lungi: o margine de plasmă mai curată, cu niveluri reduse de tungsten, poate fi la fel de importantă ca și câmpurile magnetice mai puternice în cursa spre energie de fuziune net pozitivă. Optimizarea profilelor de încălzire, a strategiilor de start-up și a designului intern al vacuo-ului (materiale, geometrii, sisteme de control al gazelor) devine parte dintr-un pachet integrat de soluții ce vizează stabilitatea și longevitatea operațiunilor.
Cercetătorii continuă să rafineze modelul PWSO și să testeze tehnici de control al impurităților pe EAST și pe alte platforme experimentale — inclusiv tokamakuri și dispozitive alternative de confinare — cu scopul de a traduce progresele de laborator în principii de proiectare aplicabile reactoarelor de demonstrație și, în final, centralelor de producere a energiei. Aceasta include investigarea materialelor alternative pentru componentele expuse la plasmă (cum ar fi acoperiri avansate, compozite sau materiale cu proprietăți de sputtering reduse), utilizarea unor configurații magnetice adaptative pentru a redirecționa fluxurile termice și implementarea sistemelor avansate de diagnostic și control în buclă închisă care să mențină marginea plasmei în regimuri favorabile.
Sursa: gizmochina
Lasă un Comentariu