Fysiker har länge drömt om att använda fusionsprocesser för att producera energi på jorden. ITER är en gigantisk fusionstokamak som byggs i Frankrike som ett stort samarbete mellan flera nationer. Idén till ett gemensamt fusionsprojekt lanserades 1985 och bygget har pågått sedan 2010. I tokamaken kommer supraledande magneter att innesluta plasman i ett toroidalt magnetfält under mycket hög temperatur (~175 miljoner K) och tillräcklig densitet.

I fusionsprocessen kommer deuterium och tritium att bilda helium och frigöra 14 MeV neutroner. Förhållandena i plasmat är inte homogena och nära materialgränser (plasmakantområdet) kan plasmatemperaturen vara så låg som några eV. Här bildas molekyler. Molekylerna kommer att växelverka med plasman. För att förstå plasmadynamiken är det viktigt att inkludera spridningsprocesser, inklusive molekyler, i modelleringen av fusionsplasmor.

Internationella atomenergiorganet (IAEA) organiserar samordnade forskningsprojekt (CRP) där experter på modellering av fusionsplasma samt molekylfysiker som arbetar med teoretiska beräkningar av molekylspridningsprocesser är inbjudna. Den 6-9 december 2023 var jag inbjuden till det första CRP-mötet på IAEA i Wien.

Titeln på detta CRP är "The Formation and Properties of Molecules in Edge Plasmas" och det kommer att pågå i fem år. Jag har tidigare varit involverad i CRP, där jag har studerat spridningsprocesser som involverar olika isotoper av BeH-reaktionskomplexet. Under lång tid var planen att ha beryllium på väggarna i ITER och i så fall kommer berylliumatomer och -joner att komma in i plasman och bilda molekyler som BeH och BeH+. Beryllium är giftigt och experimenten med spridningsprocesser för molekyler som innehåller beryllium är begränsade. Därför fanns det ett behov av teoretiska beräkningar. Jag studerade processer som dissociativ rekombination, där BeH+-molekyljonen fångar upp en elektron, blir neutral och dissocierar till atomer.

På senare tid har ITER-gruppen övervägt att inte använda beryllium i väggarna. Istället finns det planer på att väggar av volfram (W) ska boriseras (täckas av ett lager bor). Därför kommer molekyler som BH och BH+ att bildas. Planen är att jag i detta kommande CRP skall studera processer som involverar BH och BH+. Det finns inga mätningar på dessa processer. Vi har precis börjat utföra kvantkemiska beräkningar för att bestämma potentiella energikurvor, icke-adiabatisk koppling och autojoniseringsbredder för elektroniska tillstånd hos BH som är relevanta för kvantstudierna av spridningsprocesserna.

Jag kommer att beräkna tvärsnitt och bestämma vilka fragment som bildas i spridningsprocesserna. Dessa resultat kommer sedan att användas i plasmasimuleringskoder för att undersöka vilken roll de molekyler som bildas i plasmat spelar. Modelleringen jämförs med mätningar med hjälp av molekylspektroskopi av kantplasman.  Förhoppningsvis kommer jag att kunna bidra med en liten pusselbit till detta komplexa projekt.

/Professor Åsa Larson

More information

Professor Åsa Larson, Atomfysik, Fysikum

"The Formation and Properties of Molecules in Edge Plasmas"

ITER

IAEA