Naukowcy opracowali metodę zwiększania efektywności energii termojądrowej poprzez optymalizację mieszanek paliwowych i wykorzystanie polaryzacji spinu.
Takie podejście mogłoby znacznie ograniczyć zużycie trytu, prowadząc do powstania mniejszych i łatwiejszych w zarządzaniu reaktorów termojądrowych o niższych kosztach operacyjnych i ulepszonych funkcjach bezpieczeństwa.
Ulepszone paliwa termojądrowe dla praktycznej energii
Nowe badanie opublikowane w czasopiśmie Fuzja nuklearna sugeruje, że modyfikacja paliw termojądrowych mogłaby rozwiązać kluczowe wyzwania związane z uczynieniem syntezy jądrowej bardziej praktycznym źródłem energii.
Podejście to opiera się na ustalonym zastosowaniu deuteru i trytu, najbardziej obiecujących paliw do produkcji energii termojądrowej, ale poprawia ich właściwości kwantowe za pomocą techniki zwanej polaryzacją spinową. Metoda ta polega na dostosowaniu spinów kwantowych około połowy atomów paliwa w celu poprawy wydajności. Ponadto udział deuteru w mieszance paliwowej zostałby zwiększony z typowych 60% lub więcej, co doprowadziłoby do dalszej optymalizacji wydajności.
Modele opracowane przez naukowców z Laboratorium Fizyki Plazmy w Princeton przy Departamencie Energii Stanów Zjednoczonych ([{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>PPPL) show that these adjustments allow tritium to burn significantly more efficiently while maintaining fusion power output. The result is a substantial reduction in the amount of tritium required to initiate and sustain fusion reactions, paving the way for smaller, more cost-effective fusion systems.
“Fusion is really, really hard, and nature doesn’t do you many favors,” said Jason Parisi, a staff research physicist at the Lab and first author on the research paper. “So, it was surprising how big the improvement was.”
The paper, which was published in the journal Nuclear Fusion, suggests the approach could burn tritium as much as 10 times more efficiently. The research also underscores PPPL’s role at the forefront of fusion innovation, particularly when it involves a system such as the one studied in Parisi’s research, where gasses are superheated to create a confined by magnetic fields into a shape similar to a cored apple. The Lab’s primary fusion device, the National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), has a similar shape to the one the researchers considered when they tested their approach.
“This is the first time researchers have looked at how spin-polarized fuel could improve tritium-burn efficiency,” said staff research physicist and co-author Jacob Schwartz.
Jason Parisi wyjaśnia swoje badania podczas konkursu PPPL Research Slam.
Maksymalizacja wydajności spalania trytu
Główny fizyk badawczy PPPL i współautor artykułu Ahmed Diallo porównuje wydajność spalania trytu do wydajności kuchenki gazowej. „Kiedy z pieca wydobywa się gaz, chcesz spalić cały gaz” – powiedział Diallo. „W urządzeniu termojądrowym tryt zazwyczaj nie jest całkowicie spalony i trudno go zdobyć. Dlatego chcieliśmy poprawić wydajność spalania trytu”.
W ramach swojej pracy zespół PPPL konsultował się ze społecznością zajmującą się syntezą termojądrową i szerszą społecznością zajmującą się polaryzacją spinu, aby znaleźć sposoby na zwiększenie wydajności spalania trytu. „Fuzja termojądrowa to jedna z najbardziej multidyscyplinarnych dziedzin nauki i inżynierii. Wymaga postępu na wielu frontach, ale czasami można uzyskać zaskakujące wyniki, jeśli połączy się badania z różnych dyscyplin i zestawi je w całość” – stwierdziła Parisi.
Rola spinu kwantowego w syntezie termojądrowej
Spin kwantowy bardzo różni się od fizycznego obrotu piłki baseballowej. Na przykład dobry miotacz może rzucić piłkę jednym z kilku różnych obrotów. Istnieje ciągłość możliwości. Jednakże istnieje tylko kilka dyskretnych opcji spinu kwantowego cząstki – na przykład w górę i w dół.
Kiedy dwa atomy paliwa termojądrowego mają ten sam spin kwantowy, istnieje większe prawdopodobieństwo, że dojdzie do ich stopienia. „Wzmacniając przekrój poprzeczny syntezy jądrowej, można wytworzyć więcej mocy z tej samej ilości paliwa” – powiedział Parisi.
Chociaż istniejące metody polaryzacji spinowej nie dopasowują wszystkich atomzyski pokazane w modelu PPPL nie wymagają 100% wyrównania spinu. W rzeczywistości badanie pokazuje, że umiarkowany poziom polaryzacji spinu może znacznie poprawić efektywność spalania trytu, poprawiając ogólną wydajność i zmniejszając zużycie trytu.
Potencjał i wyzwania związane z paliwem spolaryzowanym spinowo
Przy mniejszym zapotrzebowaniu na tryt można zmniejszyć całkowity rozmiar elektrowni termojądrowej, co ułatwia wydawanie licencji, lokalizację i budowę. Łącznie powinno to obniżyć koszty operacyjne systemu termojądrowego.
Tryt jest również radioaktywny i chociaż promieniowanie to jest stosunkowo krótkotrwałe w porównaniu z wypalonym paliwem jądrowym z reaktorów rozszczepienia jądrowego, zmniejszenie wymaganej ilości jest korzystne dla bezpieczeństwa, ponieważ zmniejsza ryzyko wycieku trytu lub skażenia.
„Im mniej trytu przepływa przez system, tym mniej dostanie się do komponentów” – powiedział Parisi. Obiekty do przechowywania i przetwarzania wymagane dla trytu mogą być również znacznie mniejsze i wydajniejsze. Ułatwia to np. wydawanie zezwoleń na energię jądrową. „Ludzie myślą, że wielkość granic terenu jest w pewnym stopniu proporcjonalna do ilości posiadanego trytu. Tak więc, jeśli możesz mieć znacznie mniej trytu, twoja instalacja może być mniejsza, szybciej uzyskać zatwierdzenie przez organy regulacyjne i tańsza.
Nowe aleje do odkrycia
Biuro DOE ds Nauka sfinansowała osobne badania nad niektórymi niezbędnymi technologiami do naczynia termojądrowego. Konieczne są dalsze prace w celu zbadania elementów niezbędnych do wdrożenia proponowanego systemu, ale nie zostały one jeszcze w pełni zbadane. „Należy określić, czy możliwe jest zintegrowanie scenariuszy utrzymujących wysokiej jakości plazmę termojądrową przy określonych przepływach nadmiaru paliwa i popiołu z plazmy” – powiedział Schwartz.
Diallo powiedział, że istnieją również potencjalne problemy związane z metodami polaryzacji, ale stwarzają one możliwości. „Jednym z wyzwań byłoby zademonstrowanie technik wytwarzania dużych ilości paliwa spolaryzowanego spinowo, a następnie ich przechowywania. Otworzyłby się zupełnie nowy obszar technologii”.
Odniesienie: „Jednoczesne zwiększenie wydajności spalania trytu i mocy syntezy jądrowej za pomocą paliwa spolaryzowanego spinowo o niskiej zawartości trytu”, JF Parisi, A. Diallo i JA Schwartz, 4 października 2024 r., Fuzja nuklearna.
DOI: 10.1088/1741-4326/ad7da3
