Do plazme koja bi potrebnu toplinu dobivala iz vlastitih fuzijskih reakcija možda se može stići lakšim putem. Fizičari iz Princetona izračunali su da bi najprije trebalo zagrijati plazmu, a tek potom povećavati njezinu gustoću. Ako se gustoća poveća prije zagrijavanja, njihov model pokazuje da je do paljenja teže doći.
Rezultat proizlazi iz teorijskog modela i tek ga treba provjeriti u stvarnoj plazmi. Njegova je vrijednost u procjeni kako doći do fuzijskog paljenja uz manje zahtjevne uvjete i gdje bi stvarni materijali ili gubici topline mogli onemogućiti planirani rad uređaja.
Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono i Jonathan Menard iz Princetonskog laboratorija za fiziku plazme (PPPL) u radu objavljenom u časopisu Physical Review Letters spojili su više opisa ponašanja plazme u jedinstven matematički okvir. Umjesto da pitaju samo koje uvjete treba postići, ispitali su i kojim redoslijedom do njih dolaziti.
Zašto je važan redoslijed zagrijavanja i dodavanja goriva
Fuzijom se lake atomske jezgre spajaju u teže i oslobađa se energija. Za njezino iskorištavanje plazma mora biti dovoljno vruća i gusta, a energiju treba dovoljno dugo zadržati u njoj. Te odnose opisuje poznati Lawsonov kriterij.
Paljenje nastupa kada toplina oslobođena fuzijskim reakcijama nadoknađuje gubitke bez dodatnog vanjskog zagrijavanja. To je posebno zahtjevan režim rada. Čak i ako model pokazuje da takvo stanje postoji, ostaje pitanje koliko je energije i kakva je kontrola potrebna da se do njega stigne.
Tim je potražio najpovoljniji prolaz kroz skup mogućih temperatura i gustoća, poznat kao Cordeyjevo sedlo. Prema PPPL-ovu objašnjenju, najprije zagrijavanje, a zatim povećanje gustoće omogućuje povoljniji prijelaz prema paljenju.
Za usporedbu se koristi i veličina Q, omjer fuzijske snage i snage dovedene za zagrijavanje plazme. Taj omjer ne opisuje ukupnu potrošnju elektrane niti znači da ona isporučuje struju u mrežu. Za to su potrebni i sustavi pretvorbe energije te mnogo druge opreme.
Tragovi volframa mogu promijeniti cijeli izračun
Idealizirana plazma nije isto što i ona zatvorena u stvarnom uređaju. U novom okviru zajedno su razmotreni nakupljanje helija nastalog fuzijom, nečistoće sa stijenki, gubici sinkrotronskim zračenjem i odvođenje topline iz plazme.
Svaki od tih učinaka mijenja energetsku bilancu. Helijev pepeo razrjeđuje gorivo, a čestice drugih elemenata mogu pojačati zračenje. Kada se ti procesi uključe u račun, povoljan prolaz prema paljenju pomiče se prema višim temperaturama i gustoćama.
Posebno se istaknuo volfram, koji se razmatra za unutarnje dijelove fuzijskih uređaja jer podnosi veliku toplinu. Prema modelu koji predstavlja PPPL, udio od samo jednog dijela volframa na deset tisuća dijelova plazme može približno udvostručiti potreban tlak. Pri razmatranju stvarne trodimenzionalne geometrije zahtjevi mogu prijeći granicu stabilnosti plazme.
Gubici ipak imaju i drugu ulogu: mogu ublažiti nekontrolirano pojačavanje zagrijavanja. Isti procesi koji otežavaju početak samoodržive reakcije u određenim uvjetima mogu pomoći održati njezin stalan intenzitet.
Put koji tek treba iskušati
Kontrola plazme već se ispituje različitim pristupima, uključujući predviđanje nestabilnosti umjetnom inteligencijom. Istražuju se i valovi koji utječu na zadržavanje topline. Novi izračun tim pitanjima dodaje procjenu najpovoljnijeg puta prema paljenju.
Autori razmatraju bolje zadržavanje energije, ograničavanje ulaska volframa i gorivo s poravnatim nuklearnim spinovima kao načine ublažavanja zahtjeva. Za primjenu u elektrani te bi pristupe trebalo uskladiti s ograničenjima materijala i stabilnosti plazme.
Sljedeći korak bit će računalni pokusi kojima tim želi detaljnije provjeriti put zagrijavanja prije povećanja gustoće. Hoće li on olakšati rad budućih uređaja ovisit će o tome mogu li se takvi uvjeti postići i održati u stvarnoj plazmi.
