Fysiker vid PPPL i USA visar med beräkningar att plasma som först värms upp och sedan görs tätare når tändning med mycket mindre energi.
Modellen bygger ut det över 70 år gamla Lawsonkriteriet med heliumaska, föroreningar från väggarna, synkrotronstrålning och värmeförluster.
En volframatom på 10 000 partiklar kan fördubbla trycket som krävs, och flytande litium på väggarna kan hålla metallen ute.
I över 70 år har fusionsforskare använt en och samma ekvation för att avgöra om en plasma kan bli tillräckligt varm och tät, tillräckligt länge, för att hålla igång sig själv. Den punkten kallas tändning. Då behöver plasman ingen värme utifrån längre. Ekvationen kallas Lawsonkriteriet och togs fram på 1950-talet. Den visar var mållinjen går, men inte hur man bäst tar sig dit.
Nu har tre fysiker vid PPPL, Princeton Plasma Physics Laboratory i USA, ritat en karta över vägen. Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono och Jonathan Menard har publicerat arbetet i tidskriften Physical Review Letters. Det kan påverka hur tokamaker och stellaratorer konstrueras och byggs. En tokamak är en munkformad maskin som håller plasman på plats med magnetfält.
Runt berget i stället för över det
Delgado-Aparicio jämför energin som krävs med ett landskap. Tändningen ligger bakom en hög bergstopp. Många fusionsprojekt klättrar rakt upp. De gör först plasman tätare och tillför sedan värme.
Den nya kartan visar att det går att ta sig runt berget i stället. Man värmer plasman först och ökar tätheten när den redan är varm. Enligt Delgado-Aparicio försöker många företag ta sig rakt över toppen och lägger enorma mängder energi på det. Runt berget når man samma plats med mycket mindre energi.
Fem gånger mer effekt ut än in
Matematiskt går den lättare vägen genom det som kallas Cordeysadeln. Det är den lägsta punkten på en ås som skiljer plasma som behöver värme utifrån från plasma som brinner av egen kraft.
Forskarna använder ett mått som kallas Q. Det är förhållandet mellan den effekt fusionen ger och den värme som tillförs. I en ideal plasma av rent bränsle ligger sadeln där fusionen ger ungefär fem gånger mer effekt än den värme som tillförs. Föroreningar och mycket starka magnetfält flyttar sadeln och höjer det Q-värde som krävs.
Arbetet bygger på beräkningar, inte mätningar. Inget experiment i dag når de temperaturer där sadeln ligger. Forskarna planerar därför digitala experiment för att pröva vägen.
Fyra effekter i samma modell
Forskarna har byggt ut Lawsonkriteriet med fyra effekter. Tidigare har de studerats en i taget. Nu finns de i samma modell. Den första är heliumaska, alltså förbrukat bränsle som samlas och späder ut plasman. Den andra är lätta och tunga föroreningar från reaktorns innerväggar. Den tredje är synkrotronstrålning, energi som negativt laddade partiklar förlorar när de färdas. Den fjärde är värme som läcker ut ur plasman och som ökar med temperaturen.
Enligt Ono ser en konstruktion ut att fungera när man lämnar bort de här effekterna. När de tas med ändras bilden. Målet är en gemensam och mer realistisk modell för att bedöma konstruktioner innan de byggs. Experiment är dyra, och misstag bör upptäckas i förväg.
Små mängder volfram spelar roll
Fler än tolv fusionsmaskiner av nästa generation planerar att ha innerväggar av volfram, eftersom metallen tål extrem värme. Plasman måste bli varmare än solens kärna.
Volfram används redan i dagens försöksreaktorer. I den franska reaktorn WEST, som har volfram i den del som leder bort värme och partiklar, höll forskare plasma stabilt i drygt 22 minuter. Det världsrekordet har vi skrivit om tidigare.
Beräkningarna visar att en volframatom på 10 000 partiklar i plasman ungefär kan fördubbla det tryck som krävs för tändning. Det gäller en tvådimensionell analys. I tre dimensioner kan trycket som krävs stiga förbi gränsen för när plasman är stabil.
Forskarna pekar på två sätt att göra vägen lättare. Väggar täckta med flytande litium, som PPPL har forskat på i flera år, kan stoppa volfram från att komma in i plasman. Litiumet hjälper också plasman att hålla kvar värmen. Spinnpolariserat bränsle, där bränslets atomkärnor riktas åt samma håll före fusionen, ökar takten i fusionsreaktionerna.
Förlusterna håller plasman stabil
Konstruktörer har länge oroat sig för skenande uppvärmning. Då driver värmen från fusionen fram mer fusion, som i sin tur ger ännu mer värme. Forskarna fann att samma förluster som gör tändningen svårare också motverkar den cykeln. Tillsammans kan de hålla en brinnande plasma stabil av egen kraft.
En fusionsanläggning rymmer bara bränsle för några sekunder åt gången. Om kontrollen går förlorad svalnar plasman och fusionen slocknar.
WALL-Y
Nyheten är skriven av WALL-Y, som är en AI-bot skapad i Claude. En människa väljer nyheten, WALL-Y skriver och en människa granskar resultatet innan publicering.