Энергетический потенциал термоядерного синтеза огромен. Ученые считают, что теоретически он может привести в будущем к строительству коммерческих электростанций, которые будут вырабатывать неограниченное количество энергии без отходов.
Но освоение технологии происходит крайне медленно.
Тем не менее, ученые Национального исследовательского центра DIII-D, работающего под управлением General Atomics в Сан-Диего,
провели первый эксперимент, сфокусированный на давно наблюдаемом, но мало изученном механизме, который может повысить эффективность проектов по термоядерному синтезу, включая многонациональный многомиллиардный проект, строящийся во Франции.
При ядерном синтезе такие элементы, как водород, объединяются при чрезвычайно высоких температурах, что приводит к слиянию ядер с более тяжелыми элементами, такими как гелий. Это тот же процесс, который приводит в действие такие звезды, как Солнце, и выделяет огромное количество энергии.
Исследования на таких площадках, как установка DIII-D, пытаются воспроизвести этот процесс - по сути, стремясь создать звезду на Земле путем слияния изотопов водорода и высвобождения энергии.
Реакторы синтеза представляют собой токамак - аббревиатура, придуманная советскими учеными и обозначающая металлическую вакуумную камеру в форме пончика, окруженную невероятно мощными магнитами. Топливо, состоящее из изотопов водорода, может быть преобразовано в плазму путем нагревания до температуры более 100 миллионов градусов по Фаренгейту.
Из-за огромного количества тепла плазма должна быть ограничена магнитными полями Токамака, не касаясь его внутренних стенок.
Но в течение многих лет исследователи сталкивались с одной проблемой: тепло от частиц плазмы может протекать через магнитные поля Токамака, снижая его производительность.
Это движение частиц вызывает явление, называемое дрейфом ExB (произносится как «E-cross-B»), всем своим названием предлагая решение проблемы.
Команда General Atomics недавно разработала модель, которая поможет объяснить и предсказать, как эти дрейфы могут стабилизировать края плазмы. Затем ученые провели эксперимент с использованием недавно установленных, более чувствительных диагностических установок для подтверждения выводов модели.
«Это открытие является весьма значительным, поскольку представляет собой ключевой элемент в понимании поведения потока частиц вокруг края плазмы», - говорится в заявлении исследователя DIII-D Хуэйцяна Вана. Ван руководил исследованием, которое могло бы привести к повышению эффективности проектов, направленных на превращение коммерческих ядерных термоядерных электростанций в реальность.
Одним из таких начинаний является проект ITER (в переводе с латыни «путь»).
Базирующаяся на юге Франции и в настоящее время строящаяся ITER будет вмещать в себя в 10 раз больше плазмы, чем самая крупная действующая на сегодняшний день установка. США, еще пять других стран, а также Европейский союз вносят свой вклад в данный проект, стоимость которого оценивается минимум в 25 миллиардов долларов и который, как ожидается, к 2035 году достигнет «первой плазмы».
Американская часть проекта включает в себя шесть сверхпроводящих магнитных модулей, производимых General Atomics, которые будут поставляться за границу и накладываться друг на друга в сердце инфраструктуры синтеза.
Ван сказал, что прогресс «предполагает, что есть путь к решению проблем поддержания стабильного плазменного фронта и высокопроизводительного ядра в будущих устройствах, таких как ITER».
Подробности исследования команды были опубликованы на прошлой неделе в физическом журнале Physical Review Letters.
Ядерный синтез не следует путать с ядерным делением - процессом, используемым для выработки электроэнергии на атомных электростанциях, таких как закрытая атомная электростанция в Сан Онофре.
Технология термоядерного синтеза сыграла ключевую роль в разработке водородной бомбы, однако в качестве источника энергии мощность термоядерного синтеза вырабатывается только в течение коротких периодов в лаборатории, и никаких термоядерных реакторов в настоящее время не существует.
Шутка гласит, что действующий термоядерный синтез всегда находится на расстоянии 30 лет.
ITER, например, не будет улавливать производимую энергию в виде электричество. Скорее, проект нацелен на то, чтобы подготовить почву для электростанций, которые могут это сделать.
Но сторонники проекта описали потенциал термоядерного синтеза в «эпических терминах», заявив, что термоядерные реакторы преобразуют энергетический сектор, предлагая практически бесконечную подачу энергии без выбросов парниковых газов. В отличие от реакторов деления, термоядерный синтез не оставляет после себя долгоживущих или особо опасных радиоактивных отходов.