Mágnesesen összetartott plazmában fellépő hullámok és turbulens transzport: kulcs a fúziós energiatermeléshez – Porkoláb Miklós külső tag székfoglaló előadása

A szabályozott magfúzió biztonságos és bőséges energiaforrást ígér az emberiség következő évezredeire. A szükséges feltételek megteremtése azonban sokkal nehezebbnek bizonyult, mint azt a fúziós kutatások korai időszakában gondolták az 1950-es években. Porkoláb Miklós előadásában két olyan fúzióreleváns tudományterületet mutatott be, melynek jelentős szerepe volt a szabályozott magfúziós fejlesztések felgyorsításában:

1. 200 millió kelvin hőmérsékletű és nagyságrendileg 2x10²⁰ m^-3 sűrűségű plazma létrehozása és szabályozása;
2. ilyen plazma összetartása több másodpercig egy mágneses csapdában.

Porkoláb Miklós Fotó: mta.hu/Szigeti Tamás

Képgaléria a székfoglaló előadásrólElőször is hatékony fűtési technológiákat kellett kifejleszteni. Ez történhet sok megawattos semleges atomnyalábokkal a 100 keV – 1 MeV energiatartományban és/vagy rádiófrekvenciás vagy mikrohullámú forrásokkal a 40 MHz – 200 GHz frekvenciatartományban szintén MW-os teljesítményű forrásokkal. Technológiai okokból a hullámokat használó fűtési eljárások előnyösebben skálázhatók fel reaktorméretekre. A plazma felületéről indított hullámok mélyen be tudnak hatolni, és még ütközésmentes esetben is jó hatásfokkal elnyelődnek a Landau- vagy ciklotroncsillapítás által, mikor a hullám fázissebessége rezonál a részecskék termikus mozgásával vagy a ciklotron frekvenciájával. Ehhez ki kellett fejleszteni és kísérletileg validálni kellett a hullámterjedés és -elnyelődés elméletét, így ez ma már érett tudományterületnek tekinthető.

Másik oldalról a plazma összetartását nagyrészt azok a turbulens plazmahullámok határozzák meg, amik inhomogén laboratóriumi mágnesezett plazmákban többnyire kialakulnak. A közelmúltban komoly előrelépés történt a plazamturbulencia megértésének irányában szuperszámítógépek felhasználásával és kísérleti validáció terén fejlett plazmadiagnosztikai eszközök segítségével. Ez a kutatás kulcsfontosságú az ún. „jó összetartású” plazma-üzemállapot megmagyarázásához, ami a mai berendezéseken megfigyelt legígéretesebb üzemállapot a megfelelő energia-összetartású reaktor üzemállapotra való skálázása szempontjából.

Understanding the Physics of Waves and Turbulent Transport in Magnetically Confined Plasma is Key to the Development of Fusion Energy

Controlled fusion promises to provide safe and abundant energy for thousands of years for mankind. However, the conditions for achieving this goal turned out to be much more difficult than was foreseen in the early days of fusion research in the 1950s. In this talk I will review two key aspects of “fusion relevant science” that was necessary to develop in order to achieve controlled fusion:

1. Creating and controlling a plasma with temperatures of the order of 200 million degrees Celsius and with densities of the order of 2x10²⁰ m^-3, and
2. confining such a plasma for several seconds in a magnetic trap.

The first condition required the development of efficient heating techniques relying on either multi-MW neutralized particle beams with energies of the order of 100 keV to MeV, and/or RF or microwave sources at frequencies of the order of 40 MHz to 200 GHz at the MW source level. For technological reasons, the wave heating method is preferred when scaling up to reactors. Waves launched at the plasma surface can propagate deep in the plasma core and absorb there efficiently even in the absence of collisions by Landau or cyclotron damping as the wave’s phase speed resonates with thermal particles or matches the particles’ gyro -frequency. Therefore the theory of wave propagation and absorption had to be developed and validated experimentally and it is now a mature science.

The confinement of thermal plasma energy, on the other hand, is controlled by plasma wave turbulence that develops in an inhomogeneous laboratory scale magnetized plasma. I will describe recent progress in understanding the theory of plasma turbulence with the aid of supercomputers and the experimental validation by means of advanced diagnostics. Such a scientific understanding is essential to explain the “high confinement” plasma regimes observed in many of today’s experiments that promise to scale to acceptable energy confinement in reactors.