Технологията на ядрен синтез преодоля две важни препятствия

Две важни бариери пред установяването на стабилна термоядрена реакция са прескочени от експеримент в малък реактор токамак, но все още е неизвестно дали техниката ще работи в по-големи съоръжения

Ваня Милева Последна промяна на 26 април 2024 в 00:00 6854 0

Вътре в термоядрения реактор на токамак DIII-D

Кредит Rswilcox (CC BY-SA 4.0)

Вътре в термоядрения реактор на токамак DIII-D

Преодолени са две ключови бариери за работата с реакцията на ядрен синтез - необходимо за оптимално производство на енергия: повишаване на плътността на плазмата и задържането на тази по-плътна плазма. Крайъгълният камък е още една стъпка към термоядрената енергия, въпреки че създаването на промишлен реактор все още няма да е скоро.

Един от основните пътища, които се изследват в усилията за постигане на термоядрена енергия, е използването на реакторите тип токамак. Те имат камера с форма на поничка, където плазмата, по-гореща от повърхността на нашето слънце, се задържа от огромни магнити.

Смятало се е, че има точка – известна като границата на Грийнуолд – над която не може да се повишава плътността на плазмата, без тя да избяга от хватките на магнитите, потенциално увреждайки реактора. Но повишаването на плътността е от решаващо значение за увеличаване на производителността, тъй като експериментите показват, че производителността на реакторите токамак нараства пропорционално на квадрата на плътността на горивото.

Сега Съйе Дин (Siye Ding) от General Atomics в Сан Диего, Калифорния, и колегите му са показали, че има начин да се повиши плътността на плазмата и доказват, че тя може да бъде стабилна, като пуснаха реактора токамак DIII -D в американската национална централа за термоядрен синтез (National Fusion Facility) за 2.2 секунди със средна плътност, която е с 20 % над границата на Грийнуолд. Въпреки че тази бариера е преминавана и преди с по-малка стабилност и за по-кратки времетраене, този експеримент се провежда с метрика, наречена H98(y,2) над 1.

H98(y,2) е сложна комбинация от измервания и стойности, която показва колко добре плазмата се задържа от магнитите, обяснява Джанлука Сари (Gianluca Sarri) от Университета "Куин" в Белфаст, със стойност 1,0 и по-висока, което означава, че плазмата се задържа успешно.

Термоядреният синтез

На ядрения синтез се гледа като на потенциално неограничен източник на чиста енергия, създаван от същите процеси в ядрото на Слънцето. При използване на интензивна топлина, магнитни полета и налягане ядрата на по-леките елементи се сливат, за да се създадат по-тежки елементи, като при това се освобождава енергия. Като задържат този подобен на звездния процес в специално проектирани реактори, инженерите могат да слеят водородни атоми, за да произведат хелий, използвайки произведената чиста енергия и потенциално намалят зависимостта от изкопаеми горива. За да се осъществи реакцията, свръхнагрятият газ - в състояние на плазма - се подлага на налягане, което по същество притиска атомите един към друг и ги принуждава да реагират.

"Вече започваме да показваме някакъв вид стабилна работа, при която може постоянно да е в баланс", отбелязва Сари. "Това бе направено в малко съоръжение. Ако се вземат тези резултати и се екстраполират към по-голяма машина... тогава се очаква да бъдат постигнати за дълъг период от време ефективност и значително производство на енергия."

Експериментът DIII-D разчита на комбинация от подходи, които сами по себе си не са нови, разказва Сари, но заедно изглежда са създали обещаващ подход. Екипът използва по-висока плътност в сърцевината на плазмата във формата на поничка, за да увеличи енергията на изхода, като същевременно й позволи да се потопи в най-близките краища на контейнера, за да падне под границата на Гринуолд, като по този начин се избягва всякакво изпускане на плазма. Експериментаторите вкарват и газ деутерий в плазмата, за да успокоят реакциите на определени места.

Плазмената камера на DIII-D има външен радиус от само 1,6 метра и все още не се знае дали същият метод ще работи за ITER, следващото поколение токамак в процес на изграждане във Франция, който ще има радиус от 6,2 метра и се очаква да създава плазма скоро след 2025 г.

"Тези плазми са много сложни", обяснява Сари. "Една малка промяна в условията води до голяма промяна в поведението. И експериментално е по-скоро като подход проба-грешка, при който се опитват много различни конфигурации и се вижда коя е най-добрата. Всичко е свързано с принуждаването на плазмата да направи нещо, което е напълно против нейната природа и тя се съпротивлява да го направи."

Как работи токамакът

Електрическо поле, създадено от трансформатор, задвижва ток (големите червени стрелки) през плазмената колона. В резултат на това се образува полоидално магнитно поле, което компресира плазмения поток по такъв начин, че той придобива формата на кръг в разрез (зелените вертикални кръгове). Във вътрешността на корпуса с формата на поничка се създава вакуум, а компресираната по този начин колона предотвратява дезинтеграцията. Другото магнитно поле, което протича по цялото тяло, се нарича тороидално (зелените хоризонтални линии). Комбинацията от тези две полета създава спираловидна триизмерна крива (показана в черно), която може да поддържа плазмата.

Според Дин експериментът предвещава бъдещето на термоядрената енергия. "Много конструкции на реактори изискват едновременно високо ограничение и висока плътност. Сега за първи път експериментално това се реализира", коментира Дин. "Следващата стъпка е скъпа и в момента изследванията вървят в много различни посоки. Надявам се, че този документ ще помогне да се съсредоточат усилията в световен мащаб."

Работата е още една стъпка към практическа термоядрена електроцентрала, отбелязва Сари, но никой не трябва да очаква да види промишлен реактор през следващите пет или дори 10 години.

Справка: Ding, S., Garofalo, A.M., Wang, H.Q. et al. A high-density and high-confinement tokamak plasma regime for fusion energy. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07313-3 

ИзточникNuclear fusion experiment overcomes two key operating hurdles, New Scientist

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !