Будущие реакции синтеза внутри токамаков могут производить гораздо больше энергии, чем считалось ранее, благодаря новаторским новым исследованиям, которые обнаружили, что основополагающий закон для таких реакторов был неправильным.
Исследование ядерного синтеза, проведенное физиками из Швейцарского плазменного центра в Федеральной политехнической школе Лозанны (EFPL), определило, что максимальная плотность водородного топлива примерно в два раза превышает «предел Гринвальда» — оценка, полученная из экспериментов более 30 лет назад.
Открытие того, что термоядерные реакторы могут фактически работать с плотностью водородной плазмы, которая намного выше, чем предел Гринвальда, для которого они построены, повлияет на работу массивного токамака ITER, строящегося на юге Франции, и сильно повлияет на конструкции преемников ITER, называемых термоядерными реакторами демонстрационной электростанции (DEMO), сказал физик Паоло Риччи из Швейцарского плазменного центра.
«Точное значение зависит от мощности», — сказал Риччи в интервью Live Science. «Но, по приблизительной оценке, увеличение составляет порядка двух раз в ИТЭР».
Риччи является одним из лидеров исследовательского проекта, который объединил теоретическую работу с результатами около года экспериментов на трех разных термоядерных реакторах по всей Европе — EpFL Tokamak à Configuration Variable (ТСВ(откроется в новой вкладке)), Совместный европейский тор (СТРУЯ(откроется в новой вкладке)) в Калхэме в Соединенном Королевстве и эксперимент по осевому симметричному дивертору (АСДЕКС(откроется в новой вкладке)) Модернизация токамака в Институте физики плазмы Макса Планка в Гархинге в Германии.
Он также является одним из ведущих авторов исследования об открытии, опубликованного 6 мая в журнале.
Слияние будущего
Токамаки в форме пончика являются одной из наиболее перспективных конструкций для ядерных термоядерных реакторов, которые однажды могут быть использованы для выработки электроэнергии для электрических сетей.
Ученые работали более 50 лет, чтобы сделать управляемый синтез реальностью; В отличие от ядерного деления, которое создает энергию от разрушения очень больших атомных ядер, ядерный синтез может генерировать еще больше энергии, соединяя очень маленькие ядра вместе.
Процесс синтеза создает гораздо меньше радиоактивных отходов, чем деление, а богатый нейтронами водород, который он использует для своего топлива, сравнительно легко получить.
Тот же процесс питает звезды, как Солнце, поэтому контролируемый синтез уподобляется «звезде в банке»; Но поскольку очень высокое давление в сердце звезды неосуществимо на Земле, реакции синтеза здесь требуют температуры выше, чем Солнце.
Тем температура внутри токамака TCV, например, может быть более 216 миллионов градусов по Фаренгейту (120 миллионов градусов по Цельсию) — почти в 10 раз выше температуры термоядерного ядра Солнца, которая составляет около 27 миллионов F (15 миллионов C).
Несколько проектов термоядерной энергетики в настоящее время находятся на продвинутой стадии, и некоторые исследователи считают, что первый токамак, вырабатывающий электроэнергию для сети, может заработать к 2030 году, Live Science ранее сообщал.
Более 30 правительств по всему миру также финансируют токамак ITER («Iter» означает «путь» на латыни), который должен произвести свою первую экспериментальную плазму в 2025 году.
ИТЭР, однако, не предназначен для выработки электроэнергии; но токамаки на основе ИТЭР, которые будут, называемые реакторами DEMO, в настоящее время разрабатываются и могут заработать к 2051 году.
Проблемы с плазмой
В основе новых расчетов лежит предел Гринвальда, названный в честь физика Массачусетского технологического института Мартина Гринвальда, который определил предел в 1988 году.
Исследователи пытались выяснить, почему их термоядерная плазма фактически стала неконтролируемой (они расширились за пределы магнитных полей, которые они содержали в камере токамака), когда они увеличили плотность топлива после определенной точки, и Гринвальд вывел экспериментальный предел, основанный на малом радиусе токамака (размер внутреннего круга пончика) и количестве электрического тока, проходящего через плазму.
Хотя ученые давно подозревали, что предел Гринвальда может быть улучшен, он был основополагающим правилом исследований термоядерного синтеза более 30 лет, сказал Риччи. Например, это руководящий принцип проектирования ИТЭР.
Последнее исследование, однако, расширяет как эксперименты, так и теорию, которую Гринвальд использовал для получения своего предела, что приводит к гораздо более высокому пределу плотности топлива, который как увеличит мощность ITER, так и повлияет на конструкции реакторов DEMO, которые идут после него, сказал он.
Ключевым моментом было открытие, что плазма может поддерживать большую плотность топлива по мере увеличения выходной мощности реакции синтеза, сказал он.
Пока невозможно узнать, как такое большое увеличение плотности топлива повлияет на выходную мощность токамаков, сказал Риччи, но это, вероятно, будет значительным; и исследования показывают, что большая плотность топлива облегчит эксплуатацию термоядерных реакторов.
«Это облегчает достижение безопасных, устойчивых условий горения», - сказал он. «Это позволяет вам добраться до режима, который вы хотите, чтобы термоядерный реактор мог работать должным образом».
P/S' Это перевод с Space с максимальным сохранением смысла публикации .
Подписывайтесь на канал, ставьте лайки