Forskere ved det amerikanske energidepartementets Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har identifisert en mulig mer effektiv vei til fusjonstenning – øyeblikket da fusjonsreaksjonene produserer nok varme til å fortsette uten konstant oppvarming utenfra.

Arbeidet er teoretisk og bygger på matematiske beregninger, ikke direkte målinger. Forskerne har ennå ikke demonstrert metoden eksperimentelt, men resultatene kan gi nye føringer for hvordan framtidige fusjonsreaktorer utformes.

En utvidelse av Lawson-kriteriet

I mer enn 70 år har forskere brukt det såkalte Lawson-kriteriet for å beskrive hvilke kombinasjoner av plasmatemperatur, tetthet og inneslutningstid som kreves for at fusjon skal kunne fortsette uten ekstra oppvarming. Kriteriet sier imidlertid lite om hvordan disse betingelsene kan nås med lavest mulig energiforbruk.

PPPL-fysikerne Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono og Jonathan Menard har derfor utviklet en bredere versjon av kriteriet. Modellen inkluderer fire ekstra faktorer som påvirker fusjonsforløpet, og gir et mer detaljert bilde av mulige veier fram til tenning. Resultatene er publisert i tidsskriftet Physical Review Letters.

Plasma oppstår når en gass tilføres så mye energi at partiklene får elektrisk ladning. I en fusjonsreaktor består det ekstremt varme materialet av atomkjerner som forskerne forsøker å slå sammen. Når kjernene fusjonerer, frigjøres energi. Et sentralt mål er å skape et brennende plasma der selve fusjonsreaksjonene opprettholder temperaturen.

Delgado-Aparicio sammenligner funnet med å finne en mer effektiv rute over en fjellkjede. Energikravene kan ses som et landskap med et høyt fjell: Målet ligger på den andre siden, men det finnes flere mulige veier dit.

Kan være bedre å varme opp først

Mange tidligere strategier har forsøkt å ta den bratteste veien: først å øke plasmatettheten og deretter tilføre enorme mengder varme for å nå forholdene som kreves for tenning. De nye beregningene peker i stedet mot en motsatt rekkefølge – plasmaet varmes først opp, før det komprimeres og tettheten økes.

Forskerne har identifisert et særlig viktig område i denne matematiske «topografien», kalt Cordey-sadelen. I geografien er en sadel et lavere pass mellom høyere terrengpunkter. I fusjonsfysikken beskriver begrepet et relativt tilgjengelig punkt på grensen mellom et plasma som fortsatt trenger ekstern oppvarming, og et plasma som kan opprettholde sin egen fusjonsreaksjon.

For å sammenligne ulike veier bruker forskerne størrelsen Q. Den uttrykker forholdet mellom effekten fusjonen produserer, og effekten som tilføres fra det eksterne oppvarmingssystemet. En Q-verdi på 5 betyr at fusjonen produserer fem ganger så mye effekt som den eksterne oppvarmingen tilfører.

I et ideelt plasma med rent fusjonsdrivstoff ligger Cordey-sadelen omtrent ved Q = 5. Virkelige systemer er imidlertid langt mer kompliserte. Urenheter i plasmaet og ekstremt sterke magnetfelt kan flytte overgangen og øke den nødvendige Q-verdien. Derfor er det viktig å forstå hvordan slike forhold påvirker muligheten for å nå tenning i en konkret reaktorkonstruksjon.

Kan påvirke tokamaker og stellaratorer

Resultatene kan få betydning for utviklingen av de to viktigste typene magnetiske fusjonsanlegg: tokamaker og stellaratorer. Begge bruker sterke magnetfelt for å holde plasmaet på plass mens det varmes opp til den svært høye temperaturen som kreves for fusjon.

Tokamaker har en torusform, altså en form som minner om en smultring, og er blant de ledende konseptene for framtidige fusjonskraftverk. Forskningsinstitusjoner og private selskaper utvikler flere ulike løsninger for å hente ut elektrisitet fra fusjon og på sikt levere den til strømnettet.

En mer effektiv vei til tenning kan hjelpe ingeniører med å utvikle mer praktiske systemer og unngå kostbare feil i konstruksjonsfasen. For PPPL inngår arbeidet i et bredere forsøk på å løse de vitenskapelige og teknologiske utfordringene som må håndteres før kommersiell fusjonskraft blir mulig, blant annet utviklingen av framtidige forsøksreaktorer.

En viktig forbedring i studien er at flere fysiske prosesser vurderes samtidig, i stedet for hver for seg slik det ofte er gjort tidligere. Modellen tar med fire ekstra faktorer som kan påvirke om plasmaet når tenning og klarer å opprettholde den.

Ono har sagt at målet er å utvikle en mer pålitelig og allsidig modell som kan brukes til å vurdere fusjonsreaktordesign før anleggene bygges. Å behandle Lawson-kriteriet som én fast terskel tar ikke hensyn til fysiske prosesser som kan endre betingelsene for tenning betydelig. Dersom effektene tas med tidlig i designarbeidet, kan kostbare problemer kanskje unngås senere.

Små mengder wolfram kan få stor effekt

Et av de mest overraskende funnene gjelder wolfram, et svært varmebestandig metall som er valgt som materiale til innerveggene i mer enn ti neste generasjons fusjonsanlegg. Materialet er attraktivt fordi reaktorene må tåle forhold der plasmatemperaturen overstiger temperaturen i Solens sentrum.

Selv små mengder wolfram i plasmaet kan likevel skape store problemer. Beregningene viser at wolframforurensning på bare én del per 10 000 kan omtrent doble trykket som kreves for fusjonstenning. Det er en betydelig økning som skyldes en svært liten mengde materiale.

De første beregningene ble gjort i to dimensjoner. Da forskerne utvidet analysen til tre dimensjoner, fant de at trykket som kreves for tenning, kan overstige grensene der plasmaet fortsatt er stabilt. Det tyder på at selv begrenset forurensning kan få stor betydning for om enkelte reaktordesign lar seg realisere.

Energitap kan også bidra til stabilitet

Noen av prosessene som gjør det vanskeligere å oppnå tenning, kan samtidig bidra til at reaktoren fungerer sikrere og jevnere. Forskere har lenge studert såkalt termisk «runaway»-ustabilitet. Den oppstår når varmen fra fusjonsreaksjonene øker reaksjonshastigheten, som igjen skaper mer varme og kan utløse en selvforsterkende utvikling.

Forskerne fant at energitap i plasmaet kan begrense denne effekten naturlig. Tapene gjør det riktignok vanskeligere å nå tenning, men kan samtidig virke stabiliserende og gjøre det mulig for et brennende plasma å opprettholde en jevn drift uten kontinuerlig regulering. En slik balanse kan bli verdifull i framtidige reaktorkonstruksjoner.

I motsetning til et fisjonskraftverk inneholder et fusjonsanlegg bare nok drivstoff til noen få sekunders drift om gangen. Hvis kontrollen mistes, kjølner plasmaet og reaksjonen stopper, i stedet for å føre til mer alvorlige konsekvenser.

Flytende litium og spinnpolarisert drivstoff

Studien ser også på teknologier som kan bidra til å overvinne hindringene. Én mulighet er å dekke innsiden av fusjonsreaktoren med flytende litium, en metode PPPL-forskere har utviklet og undersøkt i flere år.

Et slikt belegg kan bidra til å hindre at wolfram kommer inn i plasmaet, samtidig som det kan redusere varmetapet. Det kan gjøre det lettere å opprettholde de ekstremt krevende forholdene som fusjon krever.

En annen mulig tilnærming er å bruke spinnpolarisert drivstoff. Da forberedes atomkjernene før fusjonen slik at spinnene deres er samordnet. Det kan øke hastigheten på fusjonsreaksjonene.

Til sammen kan strategiene forbedre ytelsen i framtidige reaktorer og gjøre veien til tenning mer oppnåelig. Den foreslåtte rekkefølgen – å varme plasmaet før det komprimeres – er likevel ikke demonstrert i et eksperiment.

Skal testes i datasimuleringer

Dagens fusjonseksperimenter har ikke nådd temperaturene som forbindes med Cordey-sadelen. Forskerne har derfor foreløpig ikke kunnet teste den beregnede veien under slike forhold.

PPPL-teamet planlegger å studere metoden videre i digitale eksperimenter og datamodeller. Målet er å finne ut om oppvarming før komprimering faktisk gir de fordelene beregningene peker på.

Hvis framtidige studier bekrefter resultatene, kan arbeidet bli et viktig grunnlag for mer effektive fusjonssystemer og gi forskere bedre beslutningsgrunnlag når nye reaktorer skal utformes.