Кинеско „вештачко Сунце“ пробило велику баријеру нуклеарне фузије

Често називан и „вештачко Сунце“, кинески реактор за нуклеарну фузију пробио је важну границу у фузији испаљивањем плазме изван уобичајеног оперативног опсега, чиме је унапредио иовако спор напредак човечанства ка готово неограниченој чистој енергији.

Експериментални напредни суперпроводнички токамак (EAST) одржао је плазму – високоенергетско четврто агрегатно стање материје – стабилном при екстремним густинама, што се раније сматрало великом препреком у развоју нуклеарне фузије, наводи се у саопштењу Кинеске академије наука.

„Ови налази указују на практичан и скалабилан пут за проширење граница густине у токамацима и фузионим уређајима следеће генерације са запаљеном плазмом“, рекао је коаутор студије Пинг Џу, професор на Факултету за електротехнику и електронско инжењерство Универзитета науке и технологије Кине.

Нуклеарна фузија нуди потенцијал готово неограничене чисте енергије, односно енергије без велике количине нуклеарног отпада или емисија гасова са ефектом стаклене баште које настају сагоревањем фосилних горива. Нови налази, објављени у часопису Science Advances, могли би да приближе човечанство откључавању овог извора енергије.

Међутим, технологија нуклеарне фузије развија се већ више од 70 година и још је у великој мери експериментална наука, при чему реактори обично троше више енергије него што производе.

Фузиони реактори су пројектовани да споје два лака атома у један тежи атом помоћу топлоте и притиска. На тај начин рекреирају процесе који се дешавају на Сунцу. Међутим, Сунце има далеко већи притисак него реактори на Земљи, па научници то надокнађују задржавањем вреле плазме на температурама знатно вишим од сунчевих.

Кинески EAST је реактор са магнетним задржавањем, односно „токамак“, осмишљен да одржава континуирано сагоревање плазме током дужих периода. Реактор загрева плазму и задржава је унутар коморе у облику крофне користећи снажна магнетна поља. Токамак реактори још нису достигли паљење фузије – тачку у којој фузија постаје самоодржива – али је реактор EAST повећавао време током ког може да одржава стабилну, снажно ограничену, петљу плазме.

Једна од препрека за истраживаче фузије је граница густине позната као Гринвалдова граница, изнад које плазма обично постаје нестабилна. Ова граница представља проблем јер, иако веће густине плазме омогућавају чешће сударе атома и тиме смањују енергетски трошак паљења, нестабилност прекида фузиони процес.

Да би превазишли Гринвалдову границу, кинески научници пажљиво су управљали интеракцијом плазме са зидовима реактора контролишући два кључна параметра при покретању реактора: почетни притисак горивог гаса и грејање путем електронске циклотронске резонанце, односно фреквенцију при којој електрони у плазми апсорбују микроталасе. Тиме је плазма остала стабилна при екстремним густинама од 1,3 до 1,65 пута изнад Гринвалдове границе, што је знатно више од уобичајеног оперативног опсега токамака од 0,8 до 1.

Ово није први пут да је Гринвалдова граница пробијена. На пример, токамак Националног фузионог постројења америчког Министарства енергетике у Сан Дијегу пробио је ову границу 2022. године, а 2024. истраживачи са Универзитета Висконсин–Медисон објавили су да су одржали стабилну токамак плазму на око десет пута већој вредности од Гринвалдове границе користећи експериментални уређај.

Међутим, пробој остварен у EAST-у омогућио је истраживачима да први пут загреју плазму до раније теоријски предвиђеног стања названог „режим без ограничења густине“, у којем је плазма остајала стабилна како се густина повећавала. Истраживање се заснива на теорији саморганизације плазме и зида (plasma-wall self-organization, PWCO), која предлаже да је режим без ограничења густине могућ када је интеракција између плазме и зидова реактора пажљиво уравнотежена, наводи се у саопштењу.

Напредак остварен у Кини и у САД-у утицаће на развој нових реактора. Обе земље су чланице програма Међународног термонуклеарног експерименталног реактора (ИТЕР), сарадње десетина земаља на изградњи највећег токамака на свету у Француској.

ИТЕР ће бити још један експериментални реактор осмишљен за стварање дуготрајне фузије у истраживачке сврхе, али би могао да утаба пут ка фузионим електранама. Очекује се да ИТЕР почне да производи фузионе реакције пуног обима 2039. године.