Ερευνητές που εργάζονται στον πλήρως υπεραγώγιμο Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) της Κίνας κατάφεραν πειραματικά να προσεγγίσουν ένα θεωρητικό καθεστώς πλάσματος χωρίς περιορισμό πυκνότητας, επιτυγχάνοντας σταθερή λειτουργία πλάσματος σε πυκνότητες πολύ υψηλότερες από τα έως τώρα αποδεκτά όρια.
Τα αποτελέσματα, που δημοσιεύθηκαν στο Science Advances, προσφέρουν νέες φυσικές γνώσεις για την υπέρβαση ενός από τα πιο επίμονα εμπόδια στην πορεία προς την ανάφλεξη πυρηνικής σύντηξης.
Η μελέτη πραγματοποιήθηκε υπό τη συνεπίβλεψη του καθηγητή Zhu Ping από το Huazhong University of Science and Technology και του αναπληρωτή καθηγητή Yan Ning από τα Hefei Institutes of Physical Science της Chinese Academy of Sciences. Μέσω της υλοποίησης ενός νέου σχήματος λειτουργίας υψηλής πυκνότητας στο EAST, η ερευνητική ομάδα έδειξε ότι η πυκνότητα πλάσματος, η οποία επί δεκαετίες περιοριζόταν από εμπειρικά όρια στη λειτουργία των tokamak, μπορεί να αυξηθεί σημαντικά χωρίς την εμφάνιση αποσταθεροποιητικών φαινομένων.
Η πρόκληση της πυκνότητας στη σύντηξη
Η πυρηνική σύντηξη θεωρείται διεθνώς μία από τις πιο υποσχόμενες πηγές καθαρής και βιώσιμης ενέργειας. Για τις αντιδράσεις σύντηξης δευτερίου-τριτίου, το πλάσμα πρέπει να θερμανθεί σε θερμοκρασίες της τάξης των 13 keV, δηλαδή περίπου 150 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου. Σε αυτές τις συνθήκες, η θερμοπυρηνική ισχύς αυξάνεται με το τετράγωνο της πυκνότητας του καυσίμου.
Ωστόσο, στη συμβατική λειτουργία tokamak, η πυκνότητα του πλάσματος περιορίζεται από ένα εμπειρικό ανώτατο όριο. Η υπέρβασή του οδηγεί συχνά σε αστάθειες πλάσματος, οι οποίες διαταράσσουν τον περιορισμό και θέτουν σε κίνδυνο τη λειτουργία της διάταξης, αποτελώντας βασικό εμπόδιο για τη βελτίωση της απόδοσης της σύντηξης.
Η θεωρία της αυτοοργάνωσης πλάσματος-τοιχώματος
Η πρόσφατη ανάπτυξη της θεωρίας plasma-wall self-organization (PWSO) προσφέρει μια νέα ερμηνεία για το πρόβλημα του ορίου πυκνότητας. Η θεωρία προτάθηκε αρχικά από τον D.F. Escande και συνεργάτες από το Γαλλικό Εθνικό Κέντρο Επιστημονικής Έρευνας και το Πανεπιστήμιο Aix-Marseille.
Σύμφωνα με την PWSO, μπορεί να υπάρξει ένα νέο καθεστώς λειτουργίας χωρίς περιορισμό πυκνότητας, εφόσον επιτευχθεί μια λεπτή ισορροπία μεταξύ του πλάσματος και των μεταλλικών τοιχωμάτων της διάταξης, όπου κυριαρχούν φαινόμενα φυσικής απόσπασης υλικού (physical sputtering).
Πειραματική επιβεβαίωση στο EAST
Για πρώτη φορά, το φυσικό αυτό καθεστώς επιβεβαιώθηκε πειραματικά στο EAST tokamak. Τα πειράματα συνδύασαν ακριβή έλεγχο της αρχικής πίεσης του καυσίμου αερίου με θέρμανση ηλεκτρονικού κυκλοτρονικού συντονισμού (ECRH) κατά τη φάση εκκίνησης, επιτρέποντας τη βελτιστοποίηση των αλληλεπιδράσεων πλάσματος–τοιχώματος από τα πρώτα στάδια της εκφόρτισης.
Με αυτήν την προσέγγιση μειώθηκαν σημαντικά η συσσώρευση προσμίξεων και οι απώλειες ενέργειας. Το πλάσμα ωθήθηκε σταδιακά σε πολύ υψηλές πυκνότητες μέχρι το τέλος της εκκίνησης, με τους ερευνητές να εισέρχονται επιτυχώς στο θεωρητικό density-free regime της PWSO, όπου το πλάσμα παραμένει σταθερό ακόμη και σε πυκνότητες που υπερβαίνουν κατά πολύ τα εμπειρικά όρια.
Νέες προοπτικές για την ανάφλεξη σύντηξης
Τα πειραματικά αυτά αποτελέσματα προσφέρουν ουσιαστικά νέα φυσικά δεδομένα για την υπέρβαση του μακροχρόνιου ορίου πυκνότητας στη λειτουργία tokamak, φέρνοντας πιο κοντά τον στόχο της ανάφλεξης σύντηξης.
«Τα ευρήματα υποδεικνύουν μια πρακτική και κλιμακώσιμη διαδρομή για την επέκταση των ορίων πυκνότητας σε tokamak και σε συσκευές σύντηξης επόμενης γενιάς με καύση πλάσματος», δήλωσε ο καθηγητής Zhu Ping.
Ο αναπληρωτής καθηγητής Yan Ning πρόσθεσε ότι η ερευνητική ομάδα σχεδιάζει να εφαρμόσει τη νέα μέθοδο και σε καθεστώς υψηλού περιορισμού (H-mode) στο EAST στο άμεσο μέλλον, με στόχο την πρόσβαση στο καθεστώς χωρίς όριο πυκνότητας υπό συνθήκες υψηλής απόδοσης πλάσματος.
Περισσότερες πληροφορίες: Jiaxing Liu et al, Πρόσβαση στο καθεστώς χωρίς πυκνότητα με εκκίνηση Ohmic με υποβοήθηση ECRH στο EAST, Science Advances (2026). DOI: 10.1126/sciadv.adz3040 . www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz3040
Πληροφορίες περιοδικού: Science Advances
Παρέχεται από την Κινεζική Ακαδημία Επιστημών
