Hukum baru melepaskan kekuatan fusi

Sebagai bagian dari kolaborasi besar Eropa, fisikawan EPFL telah merevisi salah satu hukum dasar yang telah menjadi dasar penelitian plasma dan fusi selama lebih dari tiga dekade dan bahkan mengatur desain mega proyek seperti ITER. Pembaruan menunjukkan bahwa kita memang dapat dengan aman menggunakan lebih banyak bahan bakar hidrogen dalam reaktor fusi dan karenanya mengekstrak lebih banyak energi daripada yang diperkirakan sebelumnya.

Fusi adalah salah satu sumber energi paling menjanjikan di masa depan. Dua inti atom bergabung untuk membentuk satu, melepaskan sejumlah besar energi. Bahkan, kami mengalami penggabungan setiap hari: kehangatan matahari berasal dari inti hidrogen melebur menjadi atom helium yang lebih berat.

Saat ini ada mega-proyek penelitian fusi internasional yang disebut ITER yang bertujuan untuk meniru proses fusi Matahari untuk menghasilkan energi di Bumi. Tujuannya adalah untuk menciptakan plasma suhu tinggi yang menyediakan lingkungan yang tepat untuk fusi dan menghasilkan energi.

Plasma – keadaan materi terionisasi yang mirip dengan gas – terdiri dari inti bermuatan positif dan elektron bermuatan negatif dan hampir satu juta kali lebih padat daripada udara yang kita hirup. Plasma dibuat dengan mengekspos “bahan bakar fusi” –atom hidrogen– ke suhu yang sangat tinggi (10 kali lipat dari inti matahari), yang memaksa elektron untuk berpisah darinya inti atom. Proses berlangsung dalam struktur berbentuk cincin (“toroidal”) yang dikenal sebagai “tokamak.”

“Untuk menghasilkan plasma untuk fusi, Anda harus mempertimbangkan tiga hal: suhu tinggi, kepadatan tinggi bahan bakar hidrogen dan pengurungan yang baik,” kata Paolo Ricci dari Pusat Plasma Swiss, salah satu lembaga penelitian terkemuka dunia di bidang fusi EPFL.

Tim Ricci, yang bekerja sebagai bagian dari kolaborasi besar Eropa, kini telah menerbitkan sebuah penelitian yang memperbarui prinsip dasar pembangkitan plasma – menunjukkan bahwa tokamak ITER yang akan datang memang dapat beroperasi dengan jumlah hidrogen dua kali lipat dan oleh karena itu menghasilkan lebih banyak energi fusi daripada yang diasumsikan sebelumnya.

“Salah satu batasan membuat plasma di tokamak adalah jumlah bahan bakar hidrogen yang bisa Anda injeksikan,” kata Ricci. “Kami sudah tahu sejak awal fusi bahwa jika Anda mencoba meningkatkan kepadatan bahan bakar, pada akhirnya Anda akan mendapatkan apa yang kami sebut ‘gangguan’ – pada dasarnya Anda kehilangan kurungan sepenuhnya dan plasma menyebar ke mana-mana. Jadi di tahun 1980-an, orang-orang mencoba membuat semacam hukum yang bisa memprediksi kepadatan maksimum hidrogen yang bisa Anda masukkan ke dalam tokamak.

Sebuah jawaban datang pada tahun 1988 ketika ilmuwan fusi Martin Greenwald menerbitkan hukum terkenal yang menghubungkan kepadatan bahan bakar dengan jari-jari yang lebih kecil dari tokamak (jari-jari lingkaran dalam donat) dan arus yang mengalir dalam plasma di dalam tokamak. Sejak itu, “batas Greenwald” telah menjadi prinsip dasar penelitian fusi; Faktanya, strategi konstruksi tokamak ITER didasarkan pada hal itu.

“Greenwald menurunkan hukum secara empiris, itu benar-benar berakhir data eksperimental– tidak ada teori yang teruji atau apa yang kami sebut ‘prinsip pertama’,” jelas Ricci. “Namun demikian, perbatasan telah bertahan cukup baik untuk penelitian. Dan dalam beberapa kasus, seperti DEMO (penerus ITER), persamaan ini mewakili batas utama untuk operasi mereka, karena menyatakan bahwa kepadatan bahan bakar tidak dapat ditingkatkan melebihi tingkat tertentu.

Bekerja sama dengan tim tokamak lainnya, Pusat Plasma Swiss merancang eksperimen yang memungkinkan penggunaan teknologi canggih untuk mengontrol jumlah bahan bakar yang disuntikkan ke dalam tokamak secara tepat. Eksperimen besar-besaran dilakukan pada tokamak terbesar di dunia, Joint European Torus (JET) di Inggris, serta ASDEX Upgrade di Jerman (Max Plank Institute) dan tokamak TCV milik EPFL sendiri. Upaya eksperimental besar ini dimungkinkan oleh konsorsium EUROfusion, organisasi Eropa yang mengoordinasikan penelitian fusi di Eropa dan di mana EPFL sekarang terlibat melalui Institut Max Planck untuk Fisika Plasma di Jerman.

Pada saat yang sama, Maurizio Giacomin, seorang Ph.D. Siswa dalam kelompok Ricci, mulai menganalisis proses fisis yang membatasi densitas di tokamak untuk mendapatkan alasan yang dapat menghubungkan densitas bahan bakar dan ukuran tokamak. Namun, sebagian dari ini melibatkan penggunaan simulasi plasma lanjutan, yang dilakukan dengan model komputer.

“Simulasi menggunakan beberapa komputer terbesar di dunia, seperti yang disediakan oleh CSCS, Pusat Superkomputer Nasional Swiss dan EUROfusion,” kata Ricci. “Dan apa yang kami temukan melalui simulasi kami adalah ketika Anda menambahkan lebih banyak bahan bakar ke plasma, karena plasma menjadi lebih bergejolak, sebagian darinya bergerak dari lapisan dingin luar tokamak, batas, kembali ke intinya. Kemudian, tidak seperti kawat tembaga listrik, yang menjadi lebih tangguh saat dipanaskan, plasma menjadi lebih tahan lama saat didinginkan. Jadi semakin banyak bahan bakar yang Anda masukkan pada suhu yang sama, semakin banyak bagian yang dingin – dan semakin sulit arus mengalir dalam plasma, yang berpotensi menyebabkan kegagalan fungsi.”

Ini sulit untuk disimulasikan. “Turbulensi dalam cairan sebenarnya adalah pertanyaan terbuka yang paling penting dalam fisika klasik,” kata Ricci. “Tapi turbulensi dalam satu plasma bahkan lebih rumit karena Anda juga memiliki medan elektromagnetik.”

Pada akhirnya, Ricci dan rekan-rekannya mampu memecahkan kode dan “pena ke kertas” untuk mendapatkan persamaan baru untuk pembatasan bahan bakar di tokamak yang sangat sesuai dengan eksperimen. Diterbitkan di Surat Verifikasi Fisikitu memenuhi batas Greenwald dengan menjadi dekat dengannya, tetapi memperbaruinya dengan cara yang signifikan.

Persamaan baru mengasumsikan bahwa batas Greenwald dalam hal bahan bakar di ITER dapat dinaikkan hampir dua kali; Ini berarti bahwa tokamaks seperti ITER sebenarnya dapat menggunakan hampir dua kali jumlah bahan bakar untuk menghasilkan plasma tanpa khawatir macet. “Ini penting karena ini menunjukkan bahwa kepadatan yang dapat Anda capai dalam sebuah tokamak meningkat dengan kekuatan yang Anda butuhkan untuk mengoperasikannya,” kata Ricci. “Faktanya, DEMO akan beroperasi pada daya yang jauh lebih tinggi daripada tokamaks dan ITER saat ini, yang berarti Anda dapat menambahkan lebih banyak bahan bakar Kepadatan tanpa batasan daya, bertentangan dengan hukum Greenwald. Dan itu berita yang sangat bagus.”