Reactorvermogen kan worden verdubbeld (na herziening van de basiswet)

Kernfusie is een van de meest veelbelovende energiebronnen voor de toekomst, zeker in de context van de klimaatcrisis. Natuurkundigen van de EPFL (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne), hebben binnen een brede Europese samenwerking een van de fundamentele wetten van kernfusie herzien, de “Greenwald-limiet”. Drie decennia lang is deze wet de basis geweest voor plasma- en fusie-onderzoek, en zelfs voor het ontwerp van gigantische projecten zoals de Internationale Thermonucleaire Experimentele Reactor (ITER). Het team van natuurkundigen ontdekte dat het mogelijk is om de hoeveelheid waterstof die in een thermonucleaire reactor wordt geïnjecteerd te verdubbelen om twee keer zoveel energie te produceren. Deze ontdekking hertekent de grenzen van fusie, als sommige experts denken van wel eerste reactoren Voor industrieel gebruik is het pas rendabel van 2040 tot 2050.

De kernfusie Het omvat het samensmelten van twee atoomkernen tot één kern, wat leidt tot het vrijkomen van grote hoeveelheden energie. Dit is het proces dat in de zon plaatsvindt. De warmte komt dus van de fusie van waterstofkernen tot heliumatomen, die zwaarder zijn.

In Frankrijk, in het departement Bouches-du-Rhone, zijn 35 landen betrokken bij de bouw van de grootste tokamak ooit gebouwd, als onderdeel van het ITER-project. Een tokamak is een experimentele machine die is ontworpen om de energie van fusie te benutten. In een tokamak-container wordt de energie van de fusie van atoomkernen, in de vorm van warmte, geabsorbeerd door de wanden van de vacuümkamer. Net als conventionele elektriciteitscentrales zal een fusiecentrale deze warmte gebruiken om stoom te produceren en vervolgens elektriciteit via turbines en generatoren.

ITER wil aantonen dat fusie – ‘sterenergie’ – kan worden gebruikt als een grootschalige, CO2-vrije energiebron om elektriciteit te produceren. Het primaire doel is om een ​​plasma op hoge temperatuur te creëren dat een ideale omgeving biedt voor fusie om energie te produceren. De resultaten van het wetenschappelijke programma ITER zullen cruciaal zijn om de weg vrij te maken voor toekomstige fusiecentrales.

Als onderdeel van de continue verbetering van deze reactoren hebben EPLF-natuurkundigen onthuld dat het mogelijk is om meer waterstof te gebruiken, vrij veilig, en dus meer energie te verkrijgen dan mogelijk was, zoals eerder werd gedacht. Deze herziening van de Greenwald-limiet zal in de praktijk worden gebracht voor tests in de ITER-reactor wanneer deze operationeel is. De nieuwe, bijgewerkte vergelijking voor deze limiet is gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven.

Een nieuwe grens voor tokamaks, toekomstige producenten van schone energie

Wetenschappers werken al meer dan 50 jaar om gecontroleerde, levensvatbare fusie te verkrijgen. In tegenstelling tot kernsplitsing, die energie produceert door zeer grote atoomkernen te kraken, kan kernfusie veel meer energie genereren door zeer kleine kernen samen te voegen. Bovendien produceert het fusieproces minder radioactief afval (bijna geen) dan splijting, die rijk is aan waterstof. neutronendat als brandstof wordt gebruikt, is relatief eenvoudig te verkrijgen.

Zoals eerder vermeld, is de kernreactie hier identiek aan de reactie die plaatsvindt in de zon met behulp van waterstofatomen. Op aarde is de druk in de kern van de ster echter niet herhaalbaar. Deze druk is nodig om waterstof om te zetten in plasma – het medium waarin waterstofatomen kunnen samensmelten en energie kunnen opwekken. Daarom is het noodzakelijk om de temperatuur van gassen 10 keer hoger te brengen dan de temperatuur van de zon, dat wil zeggen ongeveer 150 miljoen graden Celsius.

Hierdoor verandert waterstofgas in de tokamakkern, bestaande uit een ringvormige vacuümkamer, onder invloed van extreme temperatuur en druk in plasma. In de behuizing wordt de energie van de fusie van atoomkernen geabsorbeerd in de vorm van warmte door de wanden van de vacuümkamer. Extreem sterke magnetische velden worden gebruikt om het plasma op te sluiten en te controleren.

Veel fusie-energieprojecten zijn nu op peil vergevorderd stadium. ITER is echter niet in de eerste plaats ontworpen om elektriciteit te produceren, maar om productielimieten te testen en de exacte voorwaarden te bepalen voor het uitvoeren van deze fusiereacties. Er worden echter op ITER gebaseerde tokamaks, DEMO-reactoren genaamd, ontworpen en zouden tegen 2050 operationeel kunnen zijn om elektriciteit op te wekken.

Paolo Ricci, van het Swiss Plasma Center (EPFL), legt in a communicatie : ” Om fusieplasma te produceren, moet rekening worden gehouden met drie elementen: hoge temperatuur, hoge waterstofdichtheid en goede opsluiting. Daarom is een van de beperkingen van de plasmaproductie in een tokamak de hoeveelheid waterstof die erin kan worden geïnjecteerd: hoe hoger de dichtheid, hoe moeilijker het is om de stabiliteit van het plasma te behouden.

Om precies te zijn, hoe meer brandstof er bij dezelfde temperatuur wordt geïnjecteerd, hoe hoger de temperatuur van bepaalde delen van het plasma, en hoe moeilijker het is voor de stroom om in de laatste te stromen, wat turbulentie veroorzaakt. Paolo Ricci legt in eenvoudige bewoordingen uit: We verliezen de insluiting volledig en het plasma gaat nergens heen. In de jaren tachtig probeerden we een soort wet te vinden waarmee we de maximale dichtheid van waterstof konden voorspellen die we in een tokamak zouden kunnen injecteren. Het werd in 1988 ontdekt door natuurkundige Martin Greenwald en legde een verband tussen de dichtheid van de brandstof, de kleine straal van de tokamak (de straal van de binnenste cirkel van de ring) en de stroom die in het plasma binnenin circuleert. , hebben experimenten met deze machines dit bevestigd. De “Greenwald-limiet”, die de kern vormt van de creatiestrategie van ITER.

Plasmageschiedenis

Wetenschappers vermoeden al lang dat de Greenwald-limiet kan worden verbeterd. Om hun hypothese te testen, ontwierp en voerde het Zwitserse plasmacentrum in samenwerking met teams van andere tokamaks een revolutionair experiment uit, dat het mogelijk maakte om zeer geavanceerde technologie te gebruiken met als doel de hoeveelheid brandstof die in de tokamak wordt geïnjecteerd nauwkeurig te regelen. Er zijn massale proeven uitgevoerd bij ’s werelds grootste tokamaks, de Joint European Ring (JET) in het VK, de ASDEX-upgrade in Duitsland (Max Planck Institute) en de TCV-tokamak in EPFL.

Tegelijkertijd begon Maurizio Giacomen, een doctoraatsstudent in het team van Paolo Ricci, met het analyseren van de fysieke processen die de dichtheid in tokamaks beperken, om een ​​fundamentele wet vast te stellen die het mogelijk maakt om brandstofdichtheid en tokamak-volume te koppelen. Een deel van dit werk omvatte het gebruik van geavanceerde plasmasimulaties met behulp van een computermodel.

De sleutel was de ontdekking dat plasma’s een grotere brandstofdichtheid konden ondersteunen en tegelijkertijd de energie-output van een fusiereactie konden verhogen. Met andere woorden, een tokamak als ITER kan effectief bijna twee keer zoveel brandstof gebruiken om plasma te produceren, zonder angst voor verstoring. Paulo Ricci zegt: Dit resultaat is belangrijk omdat het laat zien dat de haalbare dichtheid van een tokamak toeneemt met de energie die nodig is om het te laten werken. DEMO zal werken op een veel hoger vermogen dan de huidige tokamaks en ITER, wat betekent dat een grotere brandstofdichtheid kan worden toegevoegd zonder de productie te verminderen, in tegenstelling tot wat de wet van Greenwald bedoelde. En dit is heel goed nieuws “.

bron : Fysieke beoordelingsbrieven