В начале этого года Китайская академия наук установила новый рекорд: экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (EAST) смог поддерживать температуру в 70 миллионов градусов Цельсия (126 миллионов ° F) в течение 1056 секунд!
Высокотемпературная плазма является важной частью многих крупномасштабных инициатив в области термоядерной энергетики, которые пытаются воспроизвести некоторые из условий, которые делают Солнце достаточно мощным термоядерным реактором, чтобы нагреть целую звездную систему. Цель таких исследований – обеспечить человечество источником чистой энергии на сотни лет вперед.
Тепло можно рассматривать как энергетическую вибрацию атомов, и эта вибрация становится настолько экстремальной при сверхвысоких температурах, что атомы начинают беспорядочно врезаться друг в друга с достаточной скоростью, чтобы скрепить свои ядра, сплавляя их вместе и создавая новый атомный элемент.
Если вы используете легкие атомы из нижнего края периодической таблицы - как это делает Солнце, превращая водород в гелий – то окажется, что новый атом весит меньше, чем два исходных вместе взятых, а разница в массе выбрасывается вовне как тепловая энергия. В ядре Солнца при температуре около 27 миллионов °C каждую секунду плавится около 620 миллионов метрических тонн водорода в примерно 616 миллионов метрических тонн гелия, тем самым превращая около 4 миллионов тонн вещества в энергию.
Небольшая часть этой энергии в конечном итоге достигает нас на Земле в виде электромагнитного излучения, снабжая нас видимым светом, ультрафиолетовым, инфракрасным, радиоволнами, рентгеновскими и гамма-лучами. Все это компоненты, необходимые для поддержания жизненного цикла.
Пара слов о токамаках
Термоядерные реакторы типа токамаков, такие как Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР), явно не обладают колоссальными масштабами и гравитацией Солнца, но они стремятся нагреть атомы водорода, в частности изотопы дейтерия и трития, до точки, с которой они начинаются. сталкиваются друг с другом, объединяя и высвобождая энергию, которую можно собрать, и поддерживать реакцию по мере поступления дополнительных атомов водорода.
Целевая температура ИТЭР составляет 150 миллионов °C. Завод EAST в Китае, который является ключевым участником проекта ИТЭР, уже достиг этой отметки, получив 160 миллионов °C за 20 секунд и удерживая 120 миллионов °C в течение 101 секунды, в отдельных экспериментах.
Последний эксперимент проверял способность китайского токамака выдерживать экстремальные температуры в течение более длительных периодов времени, поддерживая температуру в 2,6 раза выше, чем ядро Солнца, в течение примерно 1056 секунд (или 17 минут 36 секунд). Никто раньше не поддерживал высокотемпературную плазму в течение даже 1000 секунд, так что это важная веха.
Насколько опасен мирный термояд?
Естественно задаться вопросом, как эти безумные температуры могут существовать на Земле, не заставляя весь токамак расплавиться или сгореть до корки. По сути, кольцеобразная форма внутренней камеры токамака облицована самыми термостойкими материалами, например, вольфрамом и углеродом. Поскольку даже они будут разрушены, если подвергнуться воздействию сотен миллионов градусов, перегретая плазма сдавливается прямо в середину камеры, как можно дальше от стен, используя мощные магнитные поля.
Однако наиболее важно то, что эти необычайные температуры достигаются в небольшом количестве плазмы по сравнению с размером камеры, поэтому энергия быстро рассеивается, прежде чем достигнет стенок.
Важно уточнить: EAST не создал самой термоядерной реакции, а просто сформировал и смог удержать устойчивую перегретую плазму, подобную той, которая в конечном итоге будет использоваться для реакций термоядерного синтеза. Глобальный проект ИТЭР уже описан как самый дорогостоящий научный эксперимент всех времен и самый сложный инженерный проект в истории человечества, но до завершения и практического применения программе еще далеко.