Представьте себе источник энергии, столь же мощный, как ядерная энергия, но без выбросов углекислого газа, без опасных ядерных отходов, без риска ядерной катастрофы и без риска исчерпать запасы топлива на планете. Термоядерная энергия обещает все это. Воспроизводя процесс, который питает Солнце, термоядерный синтез мог бы стать идеальным источником энергии. Однако десятилетиями мы пытались воплотить эту фантастическую технологию в жизнь без успеха. Одним из самых больших препятствий на пути к реализации термоядерной энергии является неустойчивость плазмы, которая часто повреждала эти реакторы до того, как они приближались к производству энергии. Однако недавние исследования предполагают, что эта проблема может решиться сама собой с появлением следующего поколения гигантских реакторов, таких как ИТЭР.
Как всегда, начнем с начала. Что такое термоядерный синтез?
Как я уже сказал, ядерный синтез — это процесс, который питает Солнце. В его ядре температуры настолько высоки, а давление настолько велико, что атомы водорода имеют достаточно кинетической энергии, чтобы преодолеть отталкивающую силу, которая удерживает их раздельно, и сливаются в один более крупный атом гелия при столкновении. Гелий весит немного меньше, чем два атома водорода, так что остается немного лишней массы в виде субатомных частиц. Эти частицы не могут существовать без привязки к протонам или нейтронам, поэтому они превращаются в энергию и излучаются наружу. Если вы внимательно слушали на уроках физики, то вспомните, что знаменитое уравнение Эйнштейна E=MC² означает, что крошечное количество материи равно огромному количеству энергии! Таким образом, один килограмм водорода может произвести 177,717 МВт⋅ч энергии через синтез, или в 7,9 раз больше, чем один килограмм чистого урана-235 через деление, или в 14,8 миллиона раз больше энергии, чем один килограмм бензина через сгорание! Но в отличие от урана или бензина, синтез не производит радиоактивных отходов или разрушающих климат выбросов. Единственным побочным продуктом является ценный нерадиоактивный гелий.
Так как же мы можем воспроизвести этот процесс на Земле? Один из самых популярных дизайнов термоядерных реакторов известен как Токамак. Он использует камеру реактора в форме пончика, окруженную сверхпроводящими магнитами. Дело в том, что водородная плазма реагирует на магнитные поля. Эти магниты нагревают плазму тем же процессом, что и индукционная плита, одновременно сжимая её. Это приводит к столкновениям частиц с достаточной кинетической энергией для создания синтеза!
Однако водородная плазма чрезвычайно трудно управляемая, особенно при перегреве и под огромным давлением. Одним из типов неустойчивости является краевая локализованная мода (ELMs). ELMs сложны, поэтому я объясню их как можно проще. На краю плазмы градиент плотности огромен, что может вызвать нестабильности, подобные ряби на поверхности плазмы. Эти нестабильности мешают взаимодействию плазмы с магнитным полем и могут периодически ослаблять сжимающую силу, испытываемую плазмой. Когда это происходит, это похоже на лопнувший шарик, и энергия внутри плазмы высвобождается в виде огромного количества тепла и большого количества высокоэнергетических частиц.
Это значительно снижает эффективность реактора, поскольку одна ELM может привести к потере плазмой до 20% своей энергии. Это огромная проблема, так как для того, чтобы термоядерный реактор стал жизнеспособным источником энергии, он должен производить больше энергии, чем потребляет для создания синтеза, а это то, чего пока не достиг ни один реактор. Но это также может повредить реактор, поскольку все это тепловая энергия сбрасывается на стенки реактора, повреждая их.
Существует много различных типов неустойчивости, но все они вызывают одинаковое снижение эффективности и повреждение реактора. Поэтому, если вы хотите освоить термоядерную энергию, вам нужно научиться управлять плазмой и останавливать неустойчивость.
Управление плазмой чрезвычайно сложное. Динамика такой горячей, плотной плазмы настолько запутана и происходит так быстро, что компьютеры и системы управления не могут реагировать достаточно быстро, чтобы попытаться остановить их. Поэтому многие ученые обращаются к ИИ, чтобы попытаться предсказать поведение плазмы, что позволит остановить события неустойчивости до того, как они произойдут. Эти системы эффективны, но недостаточно, чтобы уменьшить количество событий неустойчивости до уровня, позволяющего реакторам производить больше энергии, чем они потребляют.
Но здесь вступает в игру новое исследование.
Это исследование рассматривало симуляции, которые показали, что плазма ведет себя иначе в более крупных реакторах. Дело в том, что все работающие в настоящее время токамаки являются небольшими исследовательскими реакторами. Но более крупные токамаки, такие как ИТЭР, которые сейчас строятся, вдвое больше любого действующего токамака! В этих больших реакторах больше места для плазмы, и она не должна "огибать" такой крутой радиус, что приводит к другой динамике плазмы.
Исследователи обнаружили, что в этих больших реакторах турбулентность плазмы сосредоточена в относительно концентрированной области. Таким образом, выбросы плазмы, вызванные неустойчивостью, не достигают стенок реактора, а вместо этого возвращаются и снова соединяются с основным телом плазмы. Это означает, что плазма не покидает пределы удержания, несмотря на неустойчивость, сохраняя энергию внутри плазмы, значительно повышая эффективность и позволяя реактору работать на более высоких энергиях с меньшим риском повреждений.
Это не исключит проблему неустойчивости, но значительно облегчит управление ими в более крупных реакторах с простой системой контроля плазмы.
Что это означает на практике? Это означает, что ИТЭР, вероятно, сможет работать гораздо эффективнее, чем предполагалось изначально. Текущие оценки предполагают, что ИТЭР будет производить в десять раз больше энергии, чем нужно для его работы, после оптимизации. Если это исследование верно, это может означать, что ИТЭР не только станет первым реактором, который будет производить энергию, но и сможет производить достаточно энергии, чтобы стать жизнеспособным источником! Но это возможно только в том случае, если эти симуляции окажутся точными. Ученым нужно провести гораздо больше исследований, чтобы убедиться в правильности этих выводов и их применимости к ИТЭР.
