Аннотация:
Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США предложили новую идею достижения ядерного синтеза. Их последние расчеты показывают, что если изменить последовательность нагрева и сжатия плазмы, энергия, необходимая для достижения «воспламенения» в будущих термоядерных реакторах, может быть значительно уменьшена, открывая тем самым более эффективный путь для развития управляемого ядерного синтеза.
Ядерный синтез считается одной из наиболее многообещающих технологий экологически чистой энергетики будущего. Его принцип тот же, что и процесс генерации энергии внутри Солнца. Позволяя ядрам легких элементов подвергаться реакциям синтеза, можно высвободить огромное количество энергии практически без выбросов парниковых газов. Однако чрезвычайно сложно воспроизвести экстремальную среду внутри Солнца на Земле, и ученые десятилетиями искали лучший способ достижения стабильных термоядерных реакций.
С 1950-х годов в области исследований термоядерного синтеза для оценки условий термоядерного воспламенения в основном использовался «критерий Лоусона». Эта теория используется, чтобы определить, может ли плазма поддерживать достаточно высокую температуру и плотность в течение достаточно долгого времени, чтобы продолжать реакцию термоядерного синтеза за счет собственной генерируемой энергии без необходимости внешнего нагрева.
Однако критерий Лоусона может лишь описать, какие условия необходимо выполнить, но не указывает четко, как достичь этих условий с наибольшей эффективностью. С этой целью исследовательская группа PPPL добавила к традиционной схеме четыре дополнительных фактора, включая гелиевую золу, образующуюся в процессе термоядерного синтеза, примеси из стенок реактора, потери энергии синхротронного излучения и потери тепла из плазмы, тем самым создав новую модель, более близкую к реальной ситуации.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters. Исследователи заявили, что когда эти реалистичные факторы будут включены в расчеты, многие проектные решения, которые изначально казались осуществимыми, значительно изменятся и, следовательно, будут иметь важную справочную ценность для будущего проектирования реактора.
Плазму часто называют четвертым состоянием вещества. Когда газ нагревается до чрезвычайно высоких температур, частицы внутри него становятся заряженными и образуется плазма. В устройстве для реакции термоядерного синтеза ученым необходимо нагреть плазму до экстремальных температур, чтобы ядра могли преодолеть электрическое отталкивание между собой и подвергнуться реакции термоядерного синтеза.
Исследовательская группа сравнила процесс термоядерного воспламенения с пересечением местности, заблокированной горами. Согласно идеям многих существующих решений, исследователи часто сначала увеличивают плотность плазмы, а затем продолжают повышать температуру, что эквивалентно прямому восхождению через горы, чтобы добраться до места назначения. Но новые модели предполагают, что на самом деле может быть менее трудоемкий путь.
Результаты расчетов показывают, что нагрев плазмы до более высокой температуры и последующее постепенное увеличение ее плотности позволяют достичь той же цели при меньшем общем энергопотреблении. Этот подход эквивалентен обходу горы и входу в пункт назначения сбоку, а не прямому восхождению по самому крутому маршруту.
Исследователи использовали математические модели, чтобы найти так называемую «седловую точку Корди» — путь с наименьшей энергией, необходимой для достижения термоядерного воспламенения. Результаты показывают, что стратегия «сначала нагрев, а затем увеличение плотности» находится в этой оптимальной области и, как ожидается, станет важным направлением проектирования будущих термоядерных устройств.
Помимо открытия новых путей воспламенения, исследовательская группа получила и другие важные выводы. Модели показывают, что даже небольшое количество вольфрамовых примесей, попадающих в плазму, может оказать существенное влияние на реакцию термоядерного синтеза или даже привести к ее срыву. Поскольку вольфрам обладает чрезвычайно высокой термостойкостью, в настоящее время его планируется использовать в качестве материала внутренних стенок многих будущих термоядерных реакторов. Поэтому, как предотвратить попадание вольфрама в плазму, станет одной из ключевых технических задач.
Исследователи также обнаружили, что внутри термоядерной плазмы существуют определенные естественные «тормозные механизмы», которые ограничивают дальнейшее усиление реакции. Такие эффекты не были полностью учтены в общих расчетах в прошлом, но новая модель способна более полно отразить эти влияющие факторы.
Хотя это исследование все еще находится на теоретической и вычислительной стадии и не приводит к новому экспериментальному прорыву в области термоядерного синтеза, ученые полагают, что оно обеспечивает более эффективную дорожную карту для будущего проектирования реакторов. Если соответствующие выводы можно будет проверить на реальных устройствах, затраты и энергетические инвестиции, необходимые для коммерциализации термоядерной энергии в будущем, могут быть значительно снижены, что ускорит достижение цели человечества по получению практически неограниченной чистой энергии.
Комментарии