Επιστήμονες που εργάζονται στη μαγνητικά περιορισμένη πυρηνική σύντηξη ως καθαρή πηγή ενέργειας αντιμετωπίζουν την «πρόκληση πυρήνα-ακμής», δηλαδή την ανάγκη ενοποίησης του πυρήνα του αντιδραστήρα, όπου το πλάσμα πρέπει να είναι δέκα φορές πιο θερμό από τον ήλιο, με την ακμή του αντιδραστήρα, η οποία πρέπει να διατηρεί χαμηλότερη θερμοκρασία ώστε να αποφευχθεί το λιώσιμο των υλικών που συγκρατούν το πλάσμα και εξάγουν την ενέργεια για την παραγωγή ισχύος.
Η φυσικός Livia Casali, διεθνώς αναγνωρισμένη ειδικός στην κοινότητα της πυρηνικής σύντηξης, μελετά και τις δύο περιοχές ταυτόχρονα και η μοναδική της προσέγγιση οδήγησε σε ένα ορόσημο που θα βοηθήσει ώστε η ενέργεια σύντηξης να γίνει πραγματικότητα.
Η ανάπτυξη του SICAS
Η Casali, υπότροφος Zinkle Faculty Fellow, ITER Research Scientist Fellow και επίκουρη καθηγήτρια πυρηνικής μηχανικής, εργάζεται στην αιχμή της πρόκλησης πυρήνα-ακμής, διεξάγοντας πειράματα σε κορυφαίες εγκαταστάσεις σύντηξης παγκοσμίως και αναπτύσσοντας νέα υπολογιστικά εργαλεία για τη μοντελοποίηση της συμπεριφοράς του πλάσματος.
«Συνδυάσαμε προηγμένους κώδικες για διαφορετικές περιοχές του πλάσματος, τόσο για τον πυρήνα όσο και για την ακμή, λαμβάνοντας υπόψη όλα τα σωματίδια, συμπεριλαμβανομένων των προσμίξεων», εξήγησε. «Με μια ευέλικτη και συνεπή διαδικασία βήμα προς βήμα μπορούμε να δούμε πώς επηρεάζει η μία περιοχή την άλλη».
Το ολοκληρωμένο υπολογιστικό πλαίσιο, με την ονομασία SICAS, περιλαμβάνει τον κώδικα μεταφοράς ακμής SOLPS-ITER καθώς και τα εργαλεία μοντελοποίησης πυρήνα και προσμίξεων ASTRA και STRAHL, παρέχοντας μια συνολική περιγραφή του πλάσματος.
Η σημασία της μελέτης προσμίξεων
«Η προσθήκη προσμίξεων στις προσομοιώσεις μεταφοράς είναι σημαντική επειδή οι προσμίξεις κινούνται μέσα στο πλάσμα, αυξάνουν την ακτινοβολία και μειώνουν τη θερμοκρασία, επηρεάζοντας τις βασικές παραμέτρους του πλάσματος», δήλωσε η Casali.
«Με τη σειρά τους, οι παράμετροι του πλάσματος επηρεάζουν τη συμπεριφορά των προσμίξεων στο επόμενο χρονικό βήμα. Με το εργαλείο SICAS μπορούμε πλέον να παρακολουθήσουμε πώς όλα τα σωματίδια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, δημιουργώντας μια σαφή και συνεπή εικόνα του όλου συστήματος».
Ο καθηγητής Steven Zinkle, UT-ORNL Governor’s Chair Professor για τα Πυρηνικά Υλικά, σημείωσε:
«Οι πρόοδοι στην κατανόηση των πολύπλοκων φυσικών αλληλεπιδράσεων εκεί όπου το υπερθερμό πλάσμα συναντά τα γήινα υλικά είναι καθοριστικές για την επιτυχή ανάπτυξη της ενέργειας σύντηξης. Το νέο πλαίσιο είναι ακριβώς το κατάλληλο εργαλείο τη σωστή στιγμή για να προωθήσει την έρευνα».
Επαλήθευση και πειραματικές εφαρμογές
Η Casali και η ομάδα της επαλήθευσαν το νέο πλαίσιο συγκρίνοντάς το με πειραματικά δεδομένα και το δοκίμασαν σε διαφορετικές διαμορφώσεις κορυφαίων πειραματικών εγκαταστάσεων.
«Αν αλλάξετε τη γεωμετρία, τα ιόντα ή το σχήμα του πλάσματος, μπορούμε να αναπαράγουμε αρκετά καλά τα πειραματικά δεδομένα», ανέφερε.
Αυτό περιλαμβάνει και τη διαμόρφωση αρνητικής τριγωνικότητας, για την οποία η Casali ηγήθηκε των πρώτων πειραμάτων υψηλής ακτινοβολίας στο Εθνικό Κέντρο Σύντηξης.
Ένα σημαντικό βήμα για το μέλλον
Οι λεπτομέρειες του νέου κώδικα, καθώς και η επαλήθευση με πειραματικά δεδομένα, δημοσιεύθηκαν σε επιστολή στο περιοδικό Nuclear Fusion από τον φοιτητή της Casali, Austin Welsh.
«Αυτό είναι ένα σημαντικό ορόσημο για την κοινότητα της σύντηξης», είπε η Casali. «Το SICAS καλύπτει ένα μακροχρόνιο κενό στη δυνατότητά μας να προσομοιώσουμε ολόκληρο το πλάσμα σε μια ενιαία και ολοκληρωμένη προσομοίωση. Ανοίγει νέους ορίζοντες όχι μόνο για την ερμηνεία των τρεχόντων πειραμάτων αλλά και για τον σχεδιασμό μελλοντικών αντιδραστήρων, όπως ο ITER και πέρα από αυτόν. Το πιο συναρπαστικό για μένα ήταν η ανάπτυξη αυτού του εργαλείου μαζί με τους φοιτητές μου».
Περισσότερες πληροφορίες: A. Welsh et al, SICAS, ένα νέο ολοκληρωμένο πλαίσιο εκτροπέα-SOL-βάθρου-πυρήνα για αυτοσυνεπή μοντελοποίηση μεταφοράς ιόντων και προσμίξεων σε συσκευές σύντηξης, Πυρηνική Σύντηξη (2025). DOI: 10.1088/1741-4326/adbc02
Παρέχεται από το Πανεπιστήμιο του Τενεσί στο Νόξβιλ
