Nestabilnosti u plazmi jedan su od glavnih problema nuklearne fuzije. Pokusi u američkom tokamaku DIII-D sada pokazuju da određeni valovi mogu pokrenuti strujanje koje prigušuje turbulenciju i zadržava više topline u središtu uređaja.
To nije rješenje za sve izazove fuzije, ali jest prvi eksperimentalni dokaz mehanizma koji su ranije predviđali teorijski modeli i računalne simulacije. Sljedeći pokusi trebali bi pokazati može li se učinak kontrolirati i u uređajima većih dimenzija.
Fuzija traži plazmu koja ostaje vruća
Tokamak je prstenasti uređaj u kojem magnetska polja drže plazmu podalje od stijenki. Gorivo, najčešće izotopi vodika deuterij i tricij, zagrijava se na više od sto milijuna stupnjeva. Tek tada se atomske jezgre mogu spojiti.
Turbulentna gibanja pritom prenose toplinu prema rubu i otežavaju održavanje uvjeta potrebnih za fuziju. Fizičari nastoje razumjeti kako svaki val i svako strujanje mijenjaju ponašanje magnetski zarobljene plazme.
Valovi mogu promijeniti strujanje
Tim je radio u postrojenju DIII-D National Fusion Facility u San Diegu, najvećem operativnom tokamaku u Sjevernoj Americi. Istraživači su proučavali Alfvénove svojstvene modove, valove koji nastaju međudjelovanjem brzih čestica i magnetskog polja.
Takvi se modovi obično smatraju problemom jer mogu izbacivati energične čestice iz područja zarobljavanja. Nova mjerenja pokazuju da istodobno mogu potaknuti električne struje i strujanje plazme s izraženom razlikom brzine između susjednih slojeva.
Takvo smično strujanje otežava nastanak velikih turbulentnih vrtloga. Kada se slojevi plazme kreću različitim brzinama, toplina se sporije prenosi prema rubu i više energije ostaje u vrućoj jezgri.
Promjena je izmjerena u 20 milisekundi
Istraživači su magnetske promjene pratili metodom Motional Stark Effect. U plazmu se ubrizgava snop neutralnih atoma deuterija, a polarizacija svjetlosti koju emitiraju mijenja se ovisno o magnetskom polju kroz koje prolaze.
Podaci su pokazali približno petpostotnu promjenu sigurnosnog faktora u samo 20 milisekundi. Taj broj opisuje kako se magnetske silnice omataju oko toroidalnog i poloidalnog smjera u komori. Autori promjenu povezuju sa strujama koje pokreću Alfvénovi modovi.
Mjerenje se slaže s teorijskim procjenama, ali samo po sebi ne govori koliko se energije može dodatno zadržati u reaktoru. Učinak ovisi o gustoći plazme, obliku magnetskog polja i energiji brzih čestica.
Nalaz je tek početak
Fuzija se desetljećima proučava kao mogući izvor električne energije s malim emisijama stakleničkih plinova. Korejski tokamak KSTAR održao je plazmu na temperaturi višoj od one u Sunčevoj jezgri, ali sama temperatura nije dovoljna: plazma mora ostati dovoljno dugo stabilna i gusta.
Novi rezultat pokazuje da se neke nestabilnosti ne moraju samo potiskivati. U određenom rasponu energije mogle bi pomoći u smirivanju turbulentnih gibanja, no zasad je riječ o eksperimentalnom pokazatelju, a ne o gotovoj tehnologiji za elektranu.
Pojedinosti mjerenja autori su objavili u novom znanstvenom radu u časopisu Physical Review Letters. Budući pokusi morat će potvrditi ponavlja li se učinak u drugim tokamacima i može li se zadržavanje topline postići bez gubitka energičnih čestica.
