- Sedikit tungsten dapat membuat tekanan yang dibutuhkan plasma fusi nuklir untuk mencapai penyalaan berlipat ganda.
- Penelitian mengusulkan jalur penyalaan baru, memanaskan terlebih dahulu lalu meningkatkan densitas.
- Tungsten di reaktor fusi nuklir masa depan mungkin memainkan peran penting.
- Temuan saat ini masih bersifat teoretis, masih memerlukan verifikasi eksperimen lebih lanjut.
Berdasarkan model teoretis baru dari Laboratorium Fisika Plasma Princeton (PPPL) Departemen Energi AS, jumlah kecil tungsten dalam plasma fusi nuklir kemungkinan besar akan membuat tekanan yang dibutuhkan untuk mencapai penyalaan berlipat ganda. Peneliti menemukan bahwa konsentrasi tungsten hanya satu partikel per 10.000 partikel sudah dapat secara signifikan meningkatkan kondisi plasma untuk mempertahankan reaksi fusi nuklir tanpa pemanasan eksternal berkelanjutan. Penelitian ini memperbarui Kriteria Lawson, sebuah tolok ukur sekitar 70 tahun yang lalu yang digunakan untuk menilai apakah plasma fusi nuklir cukup panas, cukup padat, dan bertahan cukup lama untuk mencapai tujuan penyalaan.
Peneliti memasukkan beberapa efek dunia nyata yang tidak tercakup dalam kriteria idealisasi asli. Hasil perhitungan juga menyiratkan jalur penyalaan yang berpotensi lebih efisien. Model tersebut menyarankan memanaskan plasma terlebih dahulu, lalu meningkatkan densitasnya, yang mungkin menyediakan jalur yang lebih efisien.
Model Baru Menyediakan Jalur Penyalaan Lebih Efisien
Fisikawan PPPL Luis Delgado-Aparicio menyatakan: "Banyak perusahaan ingin menghadapi tantangan secara langsung, mengeluarkan energi besar untuk mencapai tujuan. Sebenarnya bisa mengelilingi puncak gunung, sehingga sampai di tempat yang sama dengan cara yang lebih cerdas, sambil mengonsumsi energi yang jauh lebih sedikit." Peneliti menggunakan wilayah yang disebut Cordey saddle untuk menggambarkan jalur ini. Wilayah ini mewakili titik terendah dari batas yang memisahkan plasma yang masih memerlukan pemanasan eksternal dengan plasma yang mampu terbakar sendiri.
Dalam plasma ideal yang hanya berisi bahan bakar fusi, model menempatkan titik ini pada tingkat keuntungan fusi (Q) sekitar 5. Artinya plasma tersebut menghasilkan energi fusi sekitar lima kali energi pemanasan eksternal. Namun, kotoran, kerugian radiasi, dan efek dunia nyata lainnya mungkin mengubah titik ini dan meningkatkan keuntungan yang dibutuhkan.
Dampak Potensial dan Tantangan Tungsten
Tim tersebut memasukkan empat faktor ke dalam modelnya: abu helium yang tersisa dari reaksi fusi, kotoran ringan dan berat yang masuk dari dinding reaktor, kerugian radiasi sinkrotron, serta panas yang lolos dari plasma. Fisikawan PPPL Masayuki Ono menegaskan: "Ketika Anda mengabaikan efek-efek ini, Anda akan mengira desain berjalan baik; namun begitu faktor-faktor tersebut diperhitungkan, seluruh situasi berubah, dan faktor-faktor itu menjadi cukup penting." Temuan tungsten mungkin sangat penting bagi reaktor fusi nuklir masa depan. Lebih dari sepuluh perangkat fusi generasi berikutnya telah memilih tungsten sebagai dinding dalamnya, karena logam ini mampu menahan suhu yang sangat tinggi.
Namun jika satu atom tungsten per 10.000 partikel masuk ke dalam plasma, perhitungan dua dimensi tim menunjukkan bahwa tekanan yang dibutuhkan untuk mencapai penyalaan mungkin akan berlipat ganda.
Ketika efek-effek ini diperluas ke tiga dimensi, tekanan yang dibutuhkan mungkin melebihi titik kritis plasma untuk tetap stabil. Peneliti menyatakan, misalnya melapisi dinding reaktor dengan lithium cair dapat membantu mencegah tungsten masuk ke plasma, sambil memperbaiki retensi panas. Bahan bakar fusi berpolarisasi spin, yaitu menyelaraskan inti bahan bakar sebelum fusi, juga mungkin meningkatkan laju reaksi fusi. Menariknya, kerugian energi yang membuat penyalaan lebih sulit, justru mungkin membantu menstabilkan plasma yang terbakar. Model menunjukkan kerugian ini dapat mengimbangi thermal runaway, yaitu ketika peningkatan panas fusi menyebabkan reaksi fusi yang semakin cepat.
Saat ini temuan ini masih berada dalam ranah teori, belum ada eksperimen yang mampu mencapai kondisi dekat Cordey saddle untuk menguji secara eksperimental jalur pemanasan prioritas yang diusulkan.
Peneliti berencana melakukan eksperimen digital untuk mengeksplorasi metode ini lebih lanjut. Fisikawan PPPL Jonathan Menard menyatakan: "Meskipun masih diperlukan penelitian lebih lanjut, kami bersemangat dengan hasil ini, yang memberikan jalan yang jelas ke depan untuk penelitian di bidang ini di masa depan." Penelitian ini telah diterbitkan di Physical Review Letters.
Pentingnya Tungsten dalam Penelitian Fusi Nuklir
Temuan tungsten sangat krusial bagi pengembangan teknologi fusi nuklir. Karena kemampuannya menahan suhu ekstrem, tungsten dipilih sebagai material dinding dalam perangkat fusi generasi berikutnya. Penelitian menunjukkan bahwa penambahan tungsten dalam jumlah kecil tidak hanya dapat secara signifikan meningkatkan performa plasma, tetapi juga mungkin mengubah strategi penyalaan fusi, yang memiliki arti penting untuk meningkatkan efisiensi energi dan mengurangi konsumsi energi. Meskipun penelitian saat ini masih dalam tahap teori, eksperimen masa depan akan membantu memvalidasi teori-teori ini dan memajukan praktikalisasi teknologi fusi nuklir.