30 юни 2022
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Нов фундаментален закон освобождава енергията на термоядрения синтез

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 19 май 2022 в 00:01 160040
Илюстрация на подобна на облак йонизирана плазма в токамак на термоядрения реактор на ITER. Кредит: ITER

Преразгледан е един от фундаменталните закони, който е основополагащ за изследванията на плазмата и синтеза в продължение на повече от три десетилетия, дори управлява проектирането на мегапроекти като ITER.

Актуализацията показва, че всъщност можем безопасно да използваме повече водородно гориво в термоядрени реактори и следователно да получим повече енергия, отколкото се смяташе преди.

Ядреният синтез е един от най-обещаващите бъдещи енергийни източници - две атомни ядра, които се сливат в едно, като по този начин се освобождават огромни количества енергия. Всъщност ние използваме термоядрения синтез всеки ден: топлината на Слънцето идва от водородни ядра, които се сливат в по-тежки атоми на хелий.

Международният мегапроект за изследвания на синтеза, наречен ITER се стреми да възпроизведе процесите на синтез на Слънцето, за да създаде енергия на Земята. Целта му е да генерира високотемпературна плазма, която осигурява подходящата среда за осъществяване на синтез, произвеждайки енергия.

Плазмата – йонизирано състояние на материята, подобно на газ – е съставена от положително заредени ядра и отрицателно заредени електрони и е почти милион пъти по-малко плътна от въздуха, който дишаме.

Плазмата се създава като се подлага „горивото на синтеза“ – водородните атоми – на изключително високи температури (10 пъти по-високи от тази на ядрото на Слънцето), принуждавайки електроните да се отделят от атомните си ядра.

В термоядрен реактор процесът се извършва вътре в конституция с форма на поничка („тороидална форма“), наречена „токамак“ (тороидальная камера с магнитными катушками) .

Швейцарски плазмен център Токамак, термоядрен реакторТермоядрен синтезен реактор токамак в Swiss Plasma Center. Кредит: Alain Herzog (EPFL)

„За да се създаде плазма за синтез, трябва да се вземат предвид три неща: висока температура, висока плътност на водородното гориво и добро задържане“, разказва Паоло Ричи (Paolo Ricci) от Швейцарския плазмен център, един от водещите световни изследователски институти в областта на синтеза, разположен в École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL).

Работейки в рамките на голямо европейско сътрудничество, екипът на Ричи публикува проучване, актуализиращо основния принцип на генериране на плазма – и показващо, че предстоящият токамак ITER всъщност може да работи с два пъти по-голямо количество водород и следователно да генерира повече синтезна енергия, отколкото се смяташе преди.

„Едно от ограниченията при създаването на плазма в токамак е количеството водородно гориво, което може да се инжектира в него“, коментира Ричи. „Още от първите дни на синтеза, ние знаем, че ако се опита да се увеличи плътността на горивото, в един момент ще има това, което наричаме „дезинтеграция“ (disruption) – по същество напълно спира задържането и плазмата се разтича навсякъде. Така през осемдесетте години хората се опитваха да измислят някакъв закон, който да предскаже максималната плътност на водорода, която може да се постави в токамака."

Отговорът идва през 1988 г., когато изследователят на термоядрения синтез Мартин Гринуолд (Martin Greenwald) публикува закон, който свързва плътността на горивото с малкия радиус на токамака (радиуса на вътрешния кръг на поничката) и плазменият ток, който тече в плазмата вътре в токамака. Оттогава „границата на Гринуолд“ е основополагащ принцип на изследванията на термоядрения синтез, всъщност стратегията на ITER за изграждане на токамак се основава на него.

„Гринуолд извежда закона емпирично, което означава изцяло от експериментални данни – не е изпитана теория или нещо, което да наречм „първи принципи““, обяснява Ричи. „Все пак лимитът работи доста добре за изследвания. И в някои случаи, като DEMO (наследникът на ITER), това уравнение представлява голямо ограничение за тяхната работа, защото казва, че не може да се увеличи плътността на горивото над определено ниво.

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.

Работейки с други екипи по токамака, Швейцарският плазмен център проектира експеримент, при който е възможно да се използва изключително сложна технология за прецизен контрол на количеството гориво, инжектирано в токамака. Мащабни експерименти са проведени в най-големите токамаци в света, Joint European Torus (JET) във Великобритания, както и в ASDEX Upgrade в Германия (Max Plank Institute) и собствения TCV токамак на EPFL. Тези мащабни експерименти стават възможни благодарение на консорциума EUROfusion, европейската организация, която координира изследванията на синтеза в Европа и в която EPFL участва чрез Института за физика на плазмата Макс Планк в Германия.

В същото време Маурицио Джакомин (Maurizio Giacomin), докторант в групата на Ричи, започва да анализира физическите процеси, които ограничават плътността в токамаците, за да изведе закон от първи принципи, който да може да свърже плътността на горивото и размера на токамака. Част от работата включва използването на усъвършенствана симулация на плазмата, извършена с компютърен модел.

„Симулациите използват някои от най-големите компютри в света, като тези, предоставени от CSCS, Швейцарския национален суперкомпютърен център и от EUROfusion“, разказва Ричи. „И това, което открихме чрез нашите симулации, бе, че когато се добавя повече гориво в плазмата, части от нея се движат от външния студен слой на токамака, от границата, обратно в неговото ядро, защото плазмата става по-турбулентна. Тогава, за разлика от електрическата медна жица, която става по-устойчива при нагряване, плазмата става по-устойчива, когато изстива. Така че, колкото повече гориво се постави в него при една и съща температура, толкова повече части от него се охлаждат – и толкова по-трудно е токът да тече в плазмата, което вероятно води до дезинтеграция.

Това не е лесно да се симулира.

„Турбулентността във флуидите всъщност е най-важният открит въпрос в класическата физика“, отбелязва Ричи. "Но турбулентността в плазмата е още по-сложна, защото има и електромагнитни полета."

В крайна сметка Ричи и колегите му успяват да изведат ново уравнение за ограничение на горивото в токамак, което се съгласува много добре с експериментите. Публикувано в списание Physical Review Letters на 6 май 2022 г., то съответства на границата на Гринуолд, като е близо до нея, но я актуализира значително.

Новото уравнение посочва, че границата на Гринуолд може да бъде увеличена почти два пъти по отношение на горивото в ITER. Това означава, че токамаците като ITER всъщност могат да използват почти два пъти повече гориво, за да произвеждат плазми без притеснения от прекъсвания.

„Това е важно, защото показва, че плътността, която може да се постигне в токамак, се увеличава с мощността, от която има нужда за управление“, разказва Ричи. „Всъщност DEMO ще работи с много по-висока мощност от настоящите токамаци и ITER, което означава, че може да се добави повече плътност на горивото, без да се ограничава получената енергия, за разлика от закона на Гринуолд. И това е много добра новина.”

Справка: M. Giacomin et al, First-Principles Density Limit Scaling in Tokamaks Based on Edge Turbulent Transport and Implications for ITER, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.185003

Източник: A new law unchains fusion energy
Ecole Polytechnique Federale de Lausanne


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Новини
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.